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.
Tusk har tidigare uppmanat invånarna att "försvara ett europeiskt Polen", något han upprepade i sitt tal framför 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 partiet i skydd av immunitet kan kränka demokratiska rättigheter, sade han till publiken som omgavs av ljuset från polisens piketbussar.
Talare från nästan samtliga oppositionella partier deltog i manifestationer, liksom representanter för människorättsorganisationer och landets kulturliv.
Statliga tv-bolaget TVP rapporterade om manifestationerna med den förklarande textremsan "protester mot konstitutionen", skriver Reuters.
PIS säger att partiet inte har några planer på att lämna EU.
Demonstrationerna, som enligt organisatörerna genomfördes på ett hundratal orter i Polen samt i flera städer utomlands, inleddes vid 18-tiden på söndagen.