Pro-EU-demonstranterna kallades samman av Donald Tusk, EU:s före detta rådsordförande som numera är ledare för det polska oppositionspartiet Medborgarplattformen (PO).
Många polacker stödjer EU-medlemskapet, enligt opinionsundersökningar. Samtidigt har relationen mellan Warszawa och Bryssel blivit alltmer spänd sedan partiet Lag och rättvisa (PIS) tog över makten i Polen 2015.
”De vill kränka demokratiska rättigheter”
Tusk har tidigare uppmanat invånarna att ”försvara ett europeiskt Polen”, något han upprepade i sitt tal från slottet i huvudstaden Warszawa.
Han har länge varnat för att det styrande partiet medvetet rör sig bort från EU.
– Vi vet varför det (PIS) vill lämna (EU): så att det med skydd av immunitet kan kränka demokratiska rättigheter, sade han till publiken som omgavs av ljuset från sirenerna på polisens piketbussar.
Hundratals orter
Styrande PIS säger att partiet inte har några planer på att lämna EU, enligt Reuters.
Demonstrationerna, som enligt organisatörerna genomfördes i ett hundratal orter i Polen samt i flera städer utomlands, började vid 18-tiden på söndagen.