К 16 декабря 1939 года после ряда маршей бригада сосредоточилась в Пейнола с задачей: развивая прорыв 123-й стрелковой дивизии, наступать на Ляхде, станцию Кямяря и овладеть станцией Тали.
17 декабря батальоны двинулись вперед, но прорыва не оказалось, и вся бригада встала. До 13.00 18 декабря она находилась на исходных позициях, после чего подверглась сильному артобстрелу, в результате которого сгорело два и было подбито восемь танков. После этого бригада была выведена в тыл, в район Бобшино. Здесь с 23 декабря 1939-го по 13 февраля 1940-го части бригады проводили усиленную боевую подготовку. В частности, были изготовлены шпоры на гусеницы для увеличения проходимости БТ в зимних условиях. Также была испытана стрельба по надолбам, в результате чего стало ясно, что 45-мм бронебойный снаряд надолбу разбивает полностью. С этого момента началась подготовка экипажей по уничтожению встречающихся на пути надолб, что в дальнейшем части бригады проделывали в боевой обстановке. Нахождение бригады на отдыхе происходило в момент сильных морозов, в результате которых для поддержания боевых машин в готовности требовалось большое количество моторесурсов и бензина. По инициативе бойцов и командиров для обогрева танков были построены различные виды землянок.
С 13 февраля по 13 марта бригада участвовала в развитии прорыва главной полосы обороны «линии Маннергейма», действуя как всей бригадой, так и отдельными батальонами.
14 февраля танки бригады завязали бои за Ляхде, который вскоре был взят, несмотря на упорную оборону. Очень хорошо тут действовали огнеметные танки, которые своим огнем уничтожали живую силу противника в окопах и блиндажах.
К вечеру 15 февраля батальоны 13-й танковой бригады подошли к станции Кямяря, взятую в результате упорного боя на следующий день.
В боях за Кямяря противник потерял около 800 человек убитыми, 80 пленных, было захвачено восемь танков «Рено» без вооружения, уничтожено 12 орудий, 16 пулеметов и 12 ДЗОТов. Потери бригады составили 10 танков.
В течение последующих дней танкисты заняли станцию Перо, 5 марта с тяжелыми боями взяли Манникала, к 10 марта Репола а к концу войну Нурмилампп.
В течение всей войны подвоз всего необходимого бригада осуществляла на танках, так как колесные машины не могли пройти. На танк накладывался груз, сзади цеплялся грузовик и танк ехал. С начала боевых действий 13-я танковая бригада имела всего два трактора «Комминтерн», которые не справлялись со своей задачей по эвакуации подбитых машин. Поэтому основную массу подбитых танков приходилось эвакуировать танками.
Потери в людях за все время войны составили: 234 убитых, 484 раненых, 23 пропавших без вести.
Награждено 353 человека, в том числе: 11 званиями Героя Советского Союза, 14 орденом Ленина, 103 орденом Боевого Красного Знамени, 72 орденом Красной Звезды, 153 медалями За отвагу и За боевые заслуги.
Указом Президиума Верховного Совета СССР за бои на Карельском перешейке 13-я легкотанковая бригада была награждена орденом Боевого Красного Знамени.
Командир — полковник Гаврилов, комиссар — полковой комиссар Малушин. В начале войны бригада входила в состав 10-го танкового корпуса, имея 153, 158 и 167-й стрелково-пулеметные батальоны, 27 БД-10, семь БД-20 и 24 тягача «Комсомолец». Действовала в тесном взаимодействии с 1 и 13-й танковыми бригадами. Во время боев получила на пополнение три БА-20 и 19 БД-10. Потери за войну составили три БД-10, один БД-20 и пять «Комсомольцев».
Командир — комбриг Борзилов, комиссар — полковой комиссар Кулик. К началу войны имела в своем составе: 90, 91, 95-й танковые, 256-й ремонтно-восстановительный и 301-й автотранспортный батальоны, 215-ю разведывательную, 302-ю химическую, 57-ю связи, 38-ю саперную, 45-ю зенитную роты, 6, 57-ю связи, 38-ю саперную 45-ю зенитную роты, 65-ю роту танкового резерва и 7-ю спецроту (телетанки) — всего 2926 человек, 145 танков, 20 бронеавтомобилей, 34 легковых, 378 грузовых и 95 специальных машин, 16 мотоциклов и четыре трактора.
В первые дни боев бригада действовала совместно с 19-м стрелковым корпусом, а к 17 декабря переподчинена 50-у стрелковому корпусу. До 12 (февраля вела бои в районе Сумма — Хоттинен — высота 65,5, затем действовала в районе Хонканиеми, Перо, Тали. Потери бригады в людях за время боев составили: 169 убитых, 338 раненых и 57 пропавших без вести. Награждены 613 человек, из них: 15 званием Героя Советского Союза, 14 орденом Ленина, 97 орденом Боевого Красного Знамени, 189 орденом Красной Звезды, 292 медалями «3а отвагу» и «За боевые заслуги».
Указом Президиума Верховного Совета СССР за бои на Карельском перешейке 20-я тяжелая танковая бригада была награждена орденом Боевого Красного Знамени.