Финское командование сконцентрировало на советско-финской границе три группировки войск — на «линии Маннергейма» Армию Перешейка под командованием генерала X. Эстермана, севернее Ладожского озера — IV Армейский корпус генерала Ю. Хейсканена и в районе Петсамо-Кухмо оперативную группу «Северная Финляндия» генерала В. Туомпо.
В начале декабря 1939 г. продвижение войск 7-й армии командарма 2-го ранга В.Ф. Яковлева, которой предстояло сыграть главную роль в военном конфликте с Финляндией, развивалось довольно успешно. Вскоре противная сторона, усилив свою группировку войск на Карельском перешейке, перешла к активным диверсионно-партизанским методам борьбы в тылу советских войск, а на флангах создала мощные узлы сопротивления. В труднейших наступательных боях, продолжавшихся до конца декабря 1939 г., в условиях мощной обороны противника и крайне сложных климатических условиях, советские войска, неся огромные потери в живой силе и технике, так и не смогли прорвать хорошо укрепленную «линию Маннергейма».
Тем временем политическое руководство Финляндии, получив отказ советской стороны на свое предложение о возобновлении переговоров, обратилось за помощью в Лигу Наций. 12 декабря 1939 г. специальный комитет Лиги Наций обратился к обеим конфликтующим сторонам прекратить боевые действия и сесть за стол переговоров. Советская сторона отказалась выполнить это пожелание, заявив, что Советский Союз не воюет с Финляндией, а лишь оказывает демократическому правительству О.В. Куусинена посильную помощь в борьбе с прежним антинародным режимом. Негативно оценив подобную реакцию СССР на свое предложение о перемирии, 14 декабря 1939 г. руководство Лиги Наций приняло решение об его исключении из состава этой международной организации.
В начале января 1940 г. советские войска получили приказ перейти к стратегической обороне. Одновременно Ленинградский военный округ был преобразован в Северо-Западный фронт, который возглавил командарм 1-го ранга С.К. Тимошенко. Кроме того, вместо проводившейся армейской операции было спланировано проведение фронтовой наступательной операции, главную роль в которой должны были сыграть войска 7-й и 13-й общевойсковых армий, которые возглавили командармы К.А. Мерецков и В.Д. Грендель.
11 февраля 1940 г. войска Северо-Западного фронта перешли в новое наступление, в результате которого ценой огромных потерь удалось занять первый оборонительный рубеж «линии Маннергейма» и вынудить финские войска отойти на новые рубежи своей обороны. В конце февраля 1940 г. советские войска взяли второй оборонительный рубеж «линии Маннергейма» и устремились к Выборгу. 4 марта 1940 г. части и соединения 7-й общевойсковой армии овладели Выборгским укрепрайоном и, перерезав шоссе Хельсинки―Выборг, окружили большую группировку финских войск.
В создавшейся ситуации, которая приобрела угрожающий для финской стороны характер, новое политическое руководство Финляндии, в частности премьер-министр М. Рюти и министр иностранных дел Ю. Паасикиви, вынуждены были отдать приказ о прекращении сопротивления и сесть за стол переговоров, которые завершились 12 марта 1940 г. подписанием Московского мирного договора. По условиям этого договора:
• к СССР отходил весь Карельский перешеек и Выборгский район Финляндии;
• СССР получал в долгосрочную аренду военно-морские базы на полуострове Ханко, которые имели стратегически важное значение в восточной части Балтийского моря;
• к Финляндии отходили ряд районов в северной части Карелии (Куолаярви), которые стали территориальной компенсацией за потерю Выборга и Карельского перешейка.
По официальным данным, советская сторона потеряла в этой войне 48 475 погибшими и 158 865 ранеными и обмороженными, а потери финской стороны составили около 26 000 убитыми и около 40 000 ранеными. Хотя вопрос о потерях обеих сторон до сих пор является предметов острой научной дискуссии и детально разбирается в работах ряда современных авторов (М. Семиряга, А. Носков, П. Аптекарь).
По мнению большинства историков, весь ход советско-финской войны оказал серьезное влияние на развитие военно-политических событий на всем европейском континенте, поскольку реально показал огромный дисбаланс военной мощи в пользу нацистской Германии. Более того, после блистательного «блицкрига» во Франции А. Гитлер предложил военному руководству вермахта осенью 1940 г. начать войну против СССР. Однако фельдмаршал В. Кейтель и генерал-полковник А. Йодль смогли убедить фюрера отказаться от столь поспешного шага.
Итоги войны с Финляндией существенно повлияли и на советское политическое руководство, которое вынуждено было предпринять важные кадровые перемены в руководстве Наркомата обороны СССР. В мае 1940 г. решением Верховного Совета СССР новым наркомом обороны СССР был назначен маршал С.К. Тимошенко, а новым начальником Генерального штаба РККА стал генерал армии К.А. Мерецков.