Уже наступного дня після підписання військової конвенції, згідно з планом, розпочався наступ польських військ на Україну, у якому взяли участь і українські формування. З цього приводу голова Директорії УНР С. Петлюра звернувся до українського народу з такою відозвою: «Народе України! Тяжкий історичний шлях випав на твою долю. Ось уже три роки змагаєшся ти запанувати в своїй Республіці, здобути собі волю, рівність і непідлеглість, борючись з червоними імперіалістами — більшовиками. Ти поніс величезні жертви на полі брані... Три роки ти боровся один, забутий усіма народами світу... Тепер одбувається велика переміна... Польський народ в лиці свого Начальника Держави і Начального Вождя Військ Ю. Пілсудського, свого правительства признав самостійність твоєї Республіки і твою державну незалежність... Польська Республіка стала на реальний шлях допомоги Українській Народній Республіці в її боротьбі з московськими більшовиками-окупантами, давши змогу частинам її армії формуватися в себе, і ця армія теж іде битися з ворогами України. Але тепер українська армія буде битися не одна, а разом з армією дружньої нам Республіки Польської проти червоних імперіалістів, які загрожують також і вільному життю польського народу. Між правительствами Республік Української і Польської заключений військовий договір, на підставі якого польські війська прийдуть разом з українськими на терен український як союзники проти одного ворога, а по закінченню боротьби з більшовиками польські війська будуть негайно одведені в межі своєї Республіки».
Своєю чергою, польський державний і військовий лідер Ю. Пілсудський теж видав відозву до українського народу, у якій запевняв, що польське військо йде в Україну задля того, щоб допомогти її народу в боротьбі за державну самостійність. «Разом із польським військом, — ішлося далі в документі, — на Україну повертають ряди відважних її синів під командою Головного Отамана Симона Петлюри, які в Річі Посполитій Польській знайшли притулок і допомогу в найтяжчі дні життя українського народу». Наприкінці свого звернення Ю. Пілсудський висловлював упевненість у тому, що «український народ напружить усі свої сили, щоби при допомозі Речі Посполитої Польської вибороти собі волю й забезпечити плодородними землями своєї батьківщини щастя і добробут, яким буде користуватися по повороті до мирної праці». Заяви двох лідерів могли стати поворотним пунктом у розвитку польсько-українських відносин, але негативні стереотипи минулого виявилися, на жаль, сильнішими.
Паралельно з дипломатичними переговорами з делегацією УНР відбувалося інтенсивне розгортання ударного угрупування польських військ в Україні. Позиції від Овруча до Новограда-Волинського займала польська 3-тя армія. Очолив її особисто Ю. Пілсудський, бажаючи таким чином, як він сам пізніше писав, «особистим досвідом справдити свої думки, не обтяжуючи надмірними <...> вимогами нікого з підлеглих». До складу 3-ї армії увійшли 1-ша піхотна дивізія легіонів, 1-ша гірська бригада, 5-та й 7-ма кавалерійські бригади, окремий 41-й піхотний полк, група важкої артилерії (7 батарей), рота танків, панцерний поїзд, 3 взводи панцерних автомобілів, 6 авіаційних ескадрилій, інші частини й підрозділи. Окрім того, від сусідньої 2-ї армії під командування Ю. Пілсудського перейшли 4— та й 7-ма піхотні дивізії та 3-тя й 4-та кавалерійські бригади.
У межах 3-ї армії вказані сили було зведено у дві оперативні групи та кавалерійську дивізію; одна піхотна дивізія мала діяти самостійно. У північному секторі фронту, упираючись лівим флангом у Прип’ять, уздовж річки Словечна стояла група полковника Ю. Рибака (1-ша гірська бригада, 41-й піхотний полк і 7-ма кавалерійська бригада). Далі на південь уздовж річки Уборть розміщувалась окрема 4-та піхотна дивізія, яка прикривала залізницю Сарни — Коростень — Київ. Нижче від неї над річкою Случ, у районі Новограда-Волинського, зосереджувалися війська оперативної групи генерала Е. Ридза-Сміґлого (1-ша й 7-ма піхотні дивізії, 3-тя кавалерійська бригада, група важкої артилерії). Нарешті, у трикутнику між Новоградом-Волинським, Баранівкою й Корцем перебувала зведена кавалерійська дивізія генерала Я. Ромера (4-та й 5-та кавалерійські бригади), штаб якої містився в селі Смолдирів.
Провідною ідеєю оперативного плану Ю. Пілсудського був нищівний і цілковитий розгром противника в східній частині Волині, у районі Коростеня, Житомира й Бердичева, та швидкий вихід польських військ на лінію Дніпра й підступи до Києва. Водночас червоних планували лише витіснити з Поділля в східному й південно-східному напрямках, відклавши їх остаточну поразку на певний час. Штаб верховного головнокомандувача розробив детальний план тільки першого етапу операції, оскільки її можливий розвиток спрогнозувати було досить важко. Одним із варіантів продовження за умови успішної реалізації поставлених завдань могло стати перекидання основних сил на південну ділянку фронту й наступ. Можливим також був перехід на українському фронті до стратегічної оборони й закріплення здобутих кордонів з одночасною активізацією наступальних зусиль у Білорусі. У цьому контексті багато залежало від дій українських союзників та від уміння С. Петлюри швидко відродити працездатний державний апарат і боєздатну армію, на плечі яких можна було б перекласти важливі завдання військового характеру.
Загалом маршал Ю. Пілсудський прагнув передусім завдати противникові максимально важкої воєнної поразки, а не просто захопити нові території й розширити зону польської окупації в Україні. Польські війська не мали наміру довго перебувати на Правобережжі, що було чітко визначено в наказі Верховного головнокомандування від 8 травня 1920 р.: «У польському інтересі є якнайшвидший вивід власних військ із зайнятих теренів і встановлення добросусідських стосунків із новоутвореною Українською державою, аби таким чином забезпечити значну частину свого східного кордону від безпосередньої небезпеки з боку більшовицьких військ. Польська окупація України має бути розрахованою не на роки, а на місяці. Чим швидше буде створено регулярне українське військо, чим швидше вийде воно на фронт, аби продовжити звільнення української землі з-під більшовицького ярма, тим у більш вигідному становищі опиниться Польська держава».
Головна роль у майбутній операції була відведена 3-й армії, якою командував сам Ю. Пілсудський. Планували, що потужним ударом група генерала Е. Ридза-Сміґлого зламає оборону противника під Новоградом-Волинським і до кінця першого дня наступу (у крайньому разі — уранці другого) захопить Житомир. В утворений таким чином пролом мала увійти кавалерійська дивізія генерала Я. Ромера, котра швидким і несподіваним рейдом і повинна була взяти Козятин і тим самим відрізати основні транспортні комунікації. Водночас на північній ділянці фронту 4-та дивізія мала зайняти Коростень, піхота групи полковника Ю. Рибака — захопити Овруч, а кіннота групи — глибоким обхідним маневром зайти в тил угруповання противника, відвоювати Малин та мости через річку Тетерів, відрізавши ворогові шлях відступу на Київ. Таким чином, Ю. Пілсудський сподівався завдати червоним нищівної поразки в трикутнику Новоград-Волинський — Коростень — Житомир і відкрити собі шлях на Київ.
З півдня 3-тю армію підгримувала 2-га армія генерала А. Лістовського, котра своїми основними силами мала наступати на Бердичів, паралельно до напрямку головного удару. Щоправда, після перегрупування в складі армії залишилося тільки дві (13-та й 15-та) дивізії, зосереджені вздовж залізниці Шепетівка — Бердичів. Втрату двох інших з’єднань, що перейшли під командування Ю. Пілсудського, мало б частково компенсувати виділення генералові А. Лістовському української 6-ї стрілецької дивізії полковника М. Безручка, але вона на той час щойно виїхала з Бреста-Литовського після завершення першого етапу формування.
Від Летичева до Дністра позиції займала 6-та армія генерала В. Івашкевича, до складу якої входили три (5-та, 12-та й 18-та) піхотні дивізії. У своєму секторі фронту вона мала максимально скувати сили противника, енергійно тиснути на нього й переслідувати в разі відступу, маючи на меті зайняти Вінницю й Жмеринку. У розпорядженні польського командарма була українська 2-га стрілецька дивізія полковника О. Удовиченка, якій було виділено спокійну ділянку на південному фланзі, над самим берегом Дністра.
Таким чином, до наступу проти радянських військ в Україні було залучено три польські армії, у складі яких перебувало 35 піхотних полків, 14 кавалерійських полків і 10 ескадронів дивізійної кавалерії, 105 артилерійських батарей, 32 підрозділи інженерних військ різного призначення, 60 підрозділів військ зв’язку різного призначення, 8 панцерних поїздів, 3 залізничні батальйони, 4 підрозділи бронетанкових військ, 9 авіаційних ескадрилей, 18 етапних батальйонів, а також інші військові частини, підрозділи та установи. На українському фронті зосереджувалося понад 40 % усієї польської піхоти, 65 % кавалерії та інженерних військ, близько 50 % артилерії, військової авіації, бронетанкових військ та військ зв’язку, 30—40 % панцерних поїздів. Це свідчить про те, що Ю. Пілсудський планував швидку наступальну операцію, у якій важливу роль відводив кавалерії. Також він готувався до зустрічі із сильно укріпленою обороною противника на великих водних перешкодах, для чого зібрав — передусім у складі своєї 3-ї армії — потужну групу важкої артилерії та інженерних підрозділів, зокрема всі наявні в нього на той час понтонні колони. Загальна бойова чисельність польських військ в Україні, за їхніми власними підрахунками, становила 60 000 багнетів і шабель, а за оцінками противника — 36 000 багнетів, 3500 шабель, 720 кулеметів, 187 польових легких і 134 важкі гармати, 12 панцерних поїздів і 18 панцерних автомобілів. До цього ще слід додати дві українські дивізії, які теж брали участь в операції. Однак, не завершивши формування, вони разом мали менш ніж 4000 вояків, 56 кулеметів та 11 гармат, або — за польськими стандартами — 2,5 полку піхоти, 2 ескадрони кавалерії, 3 батареї артилерії та кілька технічних підрозділів.
З радянського боку на українських землях від Прип’яті до Дністра розташовувалися війська Південно-Західного фронту на чолі з О. Єгоровим (начальник штабу — М. Пєтін, члени Реввійськради — Й. Сталін, X. Раковський, Р. Берзін). До його складу входили три армії: 12-та, 13-та й 14-та. Полякам протистояло приблизно 60—70 % цього фронту. Так, 12-та армія С. Меженінова займала північну й центральну ділянки від Прип’яті до Летичева (включно). Її штаб перебував у Києві. Армія мала чотири (7-му, 44-ту, 47-му й 58-му) стрілецькі дивізії й одну (17-ту) кавалерійську дивізію. У південному секторі фронту, від Летичева (виключно) до Ямполя, розташовувалися основні сили 14-ї армії І. Уборевича: три (41-ша, 45-та й 60-та) стрілецькі дивізії та одна кавалерійська бригада. Водночас одна стрілецька бригада спостерігала за демаркаційною лінією з Румунією вздовж Дністра та чорноморським узбережжям до гирла Дніпра. Штаб армії містився в Кременчуці. 13-та армія блокувала білогвардійські війська генерала П. Врангеля на Кримському півострові, тому безпосередньої участі в боях із поляками не брала.
