Тем временем в конце августа разгорелись ожесточенные бои в верховьях Березины. Советское командование поставило перед 16-й армией задачу наступать от Лепеля на Докшицы и далее на Вилейку, а 15-я армия должна была нанести удар от Придруйска на Докшицы – Поставы – Вилейку. Польским войскам, в которых насчитывалось 16 тыс. штыков, 2 тыс. сабель и 50 орудий, противостояли советские части общей численностью в 11 тыс. штыков, 350 сабель и 49 орудий[77]. Однако главные силы 15-й армии участвовали в боях за Псков с армией генерала Н.Н. Юденича, поэтому согласованного удара не получилось. Тем временем 25 августа польские части перешли в наступление в сторону Двинска, заняли 26 августа Зарасай и вынудили к отходу 4-ю стрелковую дивизию. 27 августа Каменев потребовал удержать город «во что бы то ни стало». Хотя 30 августа 4-я дивизия отошла за реку Западная Двина, но советские части удержали предмостные укрепления перед Двинском и Дриссой. Командование 15-й армии перебросило сюда Эстонскую бригаду, 2-й Латышский полк и другие части. Войска 16-й армии поддерживали оборонительные усилия соседа наступлением от Лепеля в сторону Дисны. Бои в этом районе продолжались в течение месяца, но, хотя польские части и вышли на Западную Двину от Двинска до Полоцка, захватить эти города им не удалось[78].
Во второй половине октября – первой половине ноября 1919 г. продолжались ожесточенные бои вокруг Лепеля. Поляки стремились прорваться вдоль реки Западная Двина к Полоцку и Витебску. 16-я армия отражала эти атаки и сама контратаковала противника, а 15-я армия продолжала обороняться на подступах к Двинску[79]. В районе станции Боровуха полякам удалось форсировать Западную Двину, но к 24 ноября они были отброшены за реку[80]. К 25 декабря 1919 г. в 16-й армии, занимавшей 380-километровый фронт, насчитывалось 7 800 штыков, около 1 100 сабель и 70 орудий. Силы противника командование Западного фронта оценивало в 40 тыс. штыков, 3 тыс. сабель при 181 орудии[81]. В итоге Красная армия удержала Полоцк, а наступление зимы свело активность войск сторон до уровня поисковых действий патрулей. 3 января 1920 г. поляки вместе с латвийскими войсками заняли Двинск (Даугавпилс)[82].
Польское наступление привело к новым проблемам в дипломатических контактах с Москвой. Узнав о захвате Вильно, советская сторона потребовала отъезда из Москвы А. Венцковского, и неофициальные контакты были прерваны