В ночь с 29 на 30 ноября части Красной Армии атаковали порт Петсамо (ныне – Печенга), а в 9 часов утра на жилые кварталы Хельсинки посыпались зажигательные бомбы. Правда, в первый же заход на Хельсинки советская авиация потеряла 20 процентов бомбардировщиков, участвовавших в атаке.
В первый же день войны генерал фон Маннергейм забрал прошение об отставке. Тем временем финская армия мужественно обороняла предполье, отбивая все попытки советских войск прорваться к первой линии укреплений. 2 декабря в первом захваченном ценой больших жертв финском городе Териоки (ныне Зеленогорск) было объявлено о создании «правительства» Финляндской Демократической Республики во главе с О.В. Куусиненом. Состав правительства был определен в Москве еще 13 ноября.
11 декабря постоянный представитель Финляндии в Лиге Наций Рудольф Холсти подал председателю этой организации меморандум, в котором потребовал срочно принять меры против агрессора – СССР. В ответ на обращение Лиги Наций Молотов заявил, что СССР не ведет войну с Финляндией. Более того, советское правительство подписало с Куусиненом договор о дружбе и сотрудничестве. 14 декабря 1939 года Советский Союз вслед за Германией, покинувшей эту организацию немного раньше, был исключен из Лиги Наций.
Тем временем Красная Армия, неся огромные потери, безуспешно штурмовала первый рубеж финской обороны на Карельском перешейке. В декабре 1939 года все попытки советских войск захватить укрепрайоны успеха не имели. Артиллерийские, авиационные и танковые части не координировали свои действия с действиями пехоты. Однако после провала рождественского контрнаступления положение финнов на перешейке осложнилось. Командующему фронтом Тимошенко удалось наладить взаимодействие между родами войск, и теперь засевшие в укреплениях финские корпуса изматывались непрерывным огнем. Тимошенко знал, что у Маннергейма нет резервов. В Финляндию стали прибывать добровольцы. В январе в бой вступили первые 3000 шведов и норвежцев, командовать которыми было поручено генералу Линдеру. Вскоре их число возросло до 11 500 человек. Швеция предоставила Маннергейму 80 000 винтовок, 500 автоматов, 200 орудий и 25 самолетов. Италия также поставила в Финляндию 30 самолетов и большое количество зенитных пушек. В январе 1940 года французский премьер Даладье подписал приказ о создании экспедиционного корпуса. Начальник французского Генерального штаба Гамелен разработал план высадки десанта в Петсамо. Сикорский предложил сформировать польский корпус из 20 000 военнослужащих. 5 февраля 1940 года союзное командование приняло окончательное решение послать в Финляндию войска. Но Лондон решил попробовать уладить дело миром и заявил, что если СССР не прекратит войну, то британские стратегические бомбардировщики, базирующиеся в Ираке, уничтожат нефтяные разработки в Баку и Грозном. Тогда Кремль вынужден был пойти на переговоры с Хельсинки. Тем временем численность экспедиционного корпуса достигла уже 60 000 человек, и союзники добились у Стокгольма разрешения пропустить его в Финляндию, пообещав защитить Швецию в случае нападения на нее Германии. Но 12 марта 1940 года в Москве было подписано перемирие.
Хотя условия мира были очень суровые, Финляндия избежала оккупации. Мирный договор означал для Финляндии утрату многих территорий. В качестве границы была избрана так называемая «линия Петра I» 1721 года. Финляндии предстояло эвакуировать с отделяемой территории примерно 400 000 человек.
Советский Союз бросил против маленькой Финляндии 45 дивизий, более 2000 самолетов и 3000 танков. Финны уничтожили 1600 советских танков и сбили 700 самолетов. Потери Красной Армии в этой войне оцениваются по-разному (убито не менее 65 000, общие безвозвратные потери – 95 000). Финская армия потеряла 23 542 бойца, которые известны поименно.
Сразу после советско-финляндской войны Финляндия начала искать союзников в Северной Европе на случай возникновения новой войны. Идея оборонительного союза не нашла поддержки у Швеции, и тогда финское правительство переориентировалось на Германию, которая уже готовила нападение на Советский Союз.
Со второй половины 1940 года вермахт стал помогать генералу Маннергейму реформировать финскую армию. Кроме того, правительство Финляндии согласилось на транзит немецких войск в Норвегию через свою территорию. Несмотря на все уговоры Гитлера и Кейтеля, в мае 1941 года президент Рюти официально заявил, что Финляндия не будет принимать участия в агрессии против СССР. Но в начале июня у финской границы начали скапливаться советские войска, и 17 числа того же месяца Маннергейм провел всеобщую мобилизацию.