Do sowieckiej niewoli trafiło ponad 200 tys. polskich jeńców. Szeregowych po relatywnie krótkim czasie zwolniono. Część trafiła do obozów pracy. Polskich oficerów Sowieci zamknęli w specjalnych obozach NKWD w Kozielsku, Starobielsku i Ostaszkowie. Trafiło tam wielu generałów, m.in. Mieczysław Smorawiński, Bronisław Bohaterewicz, Stanisław Haller, Franciszek Sikorski. Wśród osadzonych znaleźli się także funkcjonariusze mundurowi, szczególnie Policji Państwowej. Zapowiedzią tego, jak zostaną potraktowani polscy jeńcy było wydarzenie z 22 września – Sowieci bez litości zastrzelili gen. Józefa Olszynę-Wilczyńskiego, który wpadł w ich ręce. W obozach NKWD prowadzono działalność propagandową i agitację. Polscy oficerowie byli poddawani przesłuchaniom. Działaniami tymi kierowali specjalnie wydelegowani do obozów sowieccy funkcjonariusze. Starali się zwerbować Polaków do współpracy, ale zdecydowana większość odmówiła. Nieliczni oficerowie, którzy przystali na sowieckie warunki mieli być wykorzystani w obozach jako agentura, a w przyszłości przy tworzeniu jednostek współpracujących z Sowietami. Jedną z takich osób był płk Zygmunt Berling, późniejszy dowódca 1. Dywizji Piechoty im. Kościuszki i 1. Armii „ludowego” WP.”


Więźniów obozu w Kozielsku transportowano przez Smoleńsk i Gniezdowo, a mordowano w Lesie Katyńskim. Osoby uwięzione w obozie starobielskim mordowano w siedzibie NKWD obwodu charkowskiego, a ciała zakopywano w rejonie wsi Piatichatki. Natomiast więzionych w Ostaszkowie przewożono do siedziby zarządu NKWD obwodu kalinińskiego (dziś miasto Twer). Łącznie Sowieci wymordowali ponad 14,5 tys. polskich oficerów. Znalazła się wśród nich także kobieta, ppor. pilot Janina Lewandowska. Śmierci uniknęło 395 osób. Oprócz oficerów życie straciły także osoby przetrzymywane w więzieniach tzw. Zachodniej Ukrainy i Zachodniej Białorusi. Byli wśród nich oficerowie, policjanci, działacze polityczni i społeczni, pracownicy wymiaru sprawiedliwości, urzędnicy państwowi. Z dokumentów archiwalnych przekazanych Polsce w latach 90. XX wieku – tzw. listy białoruskiej i ukraińskiej – wiemy, że zamordowano 7305 osób. Co najmniej 1980 z nich zostało pogrzebanych we wsi Bykowania. Spośród nich udało się zidentyfikować tylko kilka. Ofiarami sowieckiej zbrodni padli nie tylko oficerowie, ale także osoby cywilne. Zbrodnia katyńska przyniosła zagładę elity wojskowej.

Rosjanie oficjalnie przyznali się do odpowiedzialności za tę zbrodnię dopiero w kwietniu 1990 roku. W 1992 roku, na polecenie ówczesnego prezydenta Rosji, Borysa Jelcyna, strona polska otrzymała kopie dokumentów dotyczących tej tragedii, włączając w to wspomnianą tajną decyzję politbiura z 5 marca 1940 roku. Rosja podjęła nawet śledztwo, które jednak zakończono w 2005 roku, stwierdzając, że mord na polskich jeńcach nie kwalifikuje się jako ludobójstwo, lecz jest to „zwyczajne” przestępstwo, które uległo przedawnieniu.