Правительство в Хельсинки выражало желание начать мирные переговоры, но советская сторона в течение двух первых месяцев «зимней войны» упорно отклоняла предложения о прекращении огня.
Швеция пыталась добиться мирного решения конфликта. Однако советское руководство заявляло, что «Советский Союз не находится в состоянии войны с Финляндией и не угрожает войной финскому народу… Советский Союз находится в дружеских отношениях с Демократической Финляндской Республикой, с правительством которой 2 декабря с. г. был заключен договор о взаимопомощи и дружбе». Что же касается боевых действий на территории Финляндии, то, как заявлялось в официальных документах за подписью Молотова, СССР по просьбе Народного правительства Демократической Финляндской Республики оказывает ей «содействие своими вооруженными силами для того, чтобы совместными усилиями ликвидировать опасный очаг войны, созданный в Финляндии ее прежними правителями».
Такая позиция сталинского руководства дала основание Совету Лиги Наций осудить действия СССР, «направленные против Финляндского государства», и 14 декабря 1939 года исключить Советский Союз из Лиги Наций.
Справедливости ради следует отметить, что определенную долю ответственности за происшедшее несет и финское руководство, которое, в расчете на поддержку Запада, вело линию на конфликт с СССР.
Англия, США, Франция и Швеция поставляли Финляндии военные материалы. Из разных стран в Финляндию прибыли 11,5 тысячи добровольцев. Многие из них были офицерами в армиях своих стран. В рядах финской армии сражались и русские эмигранты — бывшие белые офицеры, поселившиеся в этой стране после Гражданской войны.
Согласно предписаниям из Москвы, 7-й армии надлежало прорваться через Карельский перешеек, овладеть Хельсинки и южными районами Финляндии. Три армии севернее Ладоги обходили линию Маннергейма через Приладожье, рассекали страну и занимали ее север. Однако война затянулась. Появились тысячи обмороженных. Красноармейцы плохо ходили на лыжах и неумело воевали. Командиры действовали шаблонно и безынициативно. Лобовые атаки вели к бессмысленным потерям. Слабой была подготовка летчиков, танкистов, связистов. Неудовлетворительно выглядело взаимодействие родов войск. Кровавые атаки на линию Маннергейма 6-го, а затем 17–20 января обессилили 7-ю армию. Советские войска оказались способными достичь успеха лишь за счет невероятных потерь и подавляющего превосходства в численности живой силы и военной техники.
Севернее Ладоги финские лыжные батальоны нанесли поражение четырем советским дивизиям. Стремясь снять с себя ответственность за упущения в управлении войсками, за неудачи и общее неудовлетворительное состояние боеготовности войск, Ворошилов обвинил многих командиров в трусости и измене. В декабре 1939 года он писал Сталину и Молотову: «Считаю необходимым провести радикальную чистку корпусов дивизий и полков. Выдвинуть против трусов и бездельников (сволочи тоже есть) честных и расторопных людей. Для проведения этой работы нужно послать Кулика или Щаденко». Из-за неудач на фронте Сталин находился в ярости. Он направил в войска Л.З. Мехлиса, известного своей жестокостью. Стали широко практиковаться ускоренные суды, расстрелы командиров перед личным составом войск. Разраставшиеся масштабы репрессий, особенно в составе 7-й и 9-й армий, встревожили военного прокурора НКО СССР Гаврилова, наложившего запрет на привлечение к суду некоторых командиров. Это вызвало большое недовольство Мехлиса, потребовавшего от прокурора «отменить Вашу директиву, которая ничего, кроме вреда, не принесет… 16 января».
Между тем Сталин настойчиво требовал от назначенного командующим 7-й армией К.А. Мерецкова прорвать линию Маннергейма. С целью подготовки концентрированного удара на главном направлении 7 января 1940 года был образован Северо-Западный фронт под командованием командарма 1 ранга С.К. Тимошенко. Войска 7-й и 13 армий превосходили финнов: по людям — в 4,5 раза, по артиллерии — в 9,5 раза, по авиации — в 7 раз, по танкам — в сотни раз. 11 февраля начался штурм. Тимошенко и Мерецков не считались с потерями. В финской обороне возникла трехкилометровая брешь. 17 февраля финны начали отход к Выборгу.
В связи с безнадежным положением на фронте и под давлением высшего командования, прежде всего Маннергейма, правительство Финляндии согласилось на мирные переговоры. 6 марта финская мирная делегация во главе с Рюти вылетела в Москву для подписания мирного договора на советских условиях. Договор был подписан 12 марта. В полдень 13 марта огонь был прекращен.