С 9 декабря 1939 г. непосредственное руководство действиями армий, а также Балтийским и Северным флотами было возложено на Ставку Главного Командования в составе К.Е. Ворошилова (председатель), И.В. Сталина,     Н.Г. Кузнецова и Б.М. Шапошникова. 25 декабря 1939 г. из правофланговой группы войск 7-й армии была образована 13-я армия под командованием комкора В.Д. Грендаля. 

7 января 1940 г. был образован Северо-Западный фронт (командующий командарм 1 ранга С.К. Тимошенко, член Военного совета А.А. Жданов, начальник штаба командарм 2 ранга И.В. Смородинов). В него вошли войска 7-й и 13-й армий. В  январе фронт пополнился войсками и боевой техникой. Стрелковых дивизий стало вдвое больше, орудий — в 1,5 раза, а самолетов — в 2,5 раза. Кроме войск, входивших в подчинение командования фронта, была создана группа войск Ставки Главного Командования во главе с начальником Автобронетанкового управления РККА комкором                              Д.Г. Павловым. К началу февраля фронт имел более чем двойное превосходство над противником в пехоте, почти тройное в артиллерии и абсолютный перевес в танках и авиации. 

После тщательной подготовки войска Северо-Западного фронта утром 11 февраля 1940 г. перешли в наступление. К исходу первого дня обозначился успех на участке 123-й стрелковой дивизии 7-й армии, которая вклинилась в оборону противника на полтора километра. К 14 февраля прорыв достиг 7 км в глубину и 6 км по фронту. Несмотря на отчаянные контратаки, финнам не удалось восстановить положение, и 17 февраля противник начал отход на вторую полосу обороны. Разыгравшийся буран не позволил нашим войскам ворваться во вторую полосу обороны, не смогли выполнить свою задачу и наспех сколоченные танковые десанты. 

28 февраля после часовой артиллерийской подготовки 7-я и 13-я армии снова перешли в наступление и за два дня боев прорвали вторую полосу обороны. Сражение развернулось у самого Выборга. В ночь на 4 марта войска 28-го стрелкового корпуса по льду перешли Выборгский залив и заняли плацдарм западнее Выборга. Финские войска, сражавшиеся у Выборга и на Карельском перешейке, были отрезаны от Центральной Финляндии. Исход войны фактически был предрешен. 6 марта Советский Союз предложил начать официальные переговоры о заключении мира, и это предложение было принято. 12 марта мирный договор был подписан. В ночь на 13 марта наши войска  штурмом овладели Выборгом. 13 марта в 12 часов по московскому времени военные действия в соответствии с условиями мирного договора прекратились. 

Советско-финляндская война выявила ряд существенных недостатков в подготовке и боевых действиях частей и соединений. В наступательных боях не во всех частях было четко организованно взаимодействие войск, особенно в звене рота – батальон. Стрелковые подразделения не имели достаточных навыков ведения ближнего боя, слабо использовали в наступлении результаты артиллерийского огня. Управление в бою часто нарушалось, что отрицательно влияло на темпы наступления.

В советско-финляндской войне Красная Армия получила опыт проведения операций по прорыву укрепленного района силами войск фронта. Советским войскам впервые пришлось наступать на укрепленный район в условиях многоснежной зимы и лесистой местности. В операции участвовало шесть общевойсковых армий, авиация, военно-морской флот и совершенные для того времени танки и артиллерия. Оперативное построение войск было глубоким. Для прорыва «линии Маннергейма» на направлении главного удара (ширина участка 40 км) было сосредоточенно 60 % стрелковых соединений и до 65 % артиллерии Северо-Западного фронта. Все это имело важное значение для быстрого разгрома финских войск. Трудные условия местности и зимы не позволяли использовать крупные танковые и механизированные соединения, а также воздушно-десантные соединения, что отрицательно сказалось на размахе боевых действий наших войск.