Тогда же Генштаб РККА поручил командованию ряда военных округов, в том числе и Киевского, в срочном порядке направить в районы боевых действий дополнительные части и соединения. Из состава Киевского особого военного округа было выделено 8 дивизий, 3 танковых полка, 3 артиллерийских полка РГК, 2 зенитных дивизиона, 9 отдельных артиллерийских батарей, десантная бригада, 2 лыжных батальона и другие части. Все организационные и прочие вопросы пришлось решать Ватутину и его штабу. Характерно, что преодолевать серьезные трудности никому не пришлось. Справиться с задачами помог опыт, приобретенный в ходе подготовки освободительного похода на Западную Украину.
В дальнейшем части и соединения, отправленные на Карельский перешеек, проявили себя с лучшей стороны.
Особенно отличилась 7-я Черниговская стрелковая дивизия, в которой десятью годами ранее служил Ватутин. Во время прорыва линии Маннергейма дивизии была поставлена задача выйти в тыл Хотиненскому узлу обороны и во взаимодействии с другими частями уничтожить этот важный укрепленный район. Наступление советских войск противник встретил яростным огнём из всех видов оружия. В результате решительной атаки бойцы сломили сопротивление врага и полностью овладели Хотиненским узлом. В последующем дивизия участвовала в штурме Выборга. За образцовое выполнение задания командования в борьбе с белофиннами и проявленные при этом доблесть и мужество Указом Президиума Верховного Совета СССР соединение было награждено орденом Красного Знамени. Этого же ордена удостоились 137-й гаубичный и 320-й пушечный артиллерийские полки РГК.
Киевский особый военный округ усилил группировку и своими кадрами. Когда 7 января 1940 года был создан Северо-Западный фронт, его командующим назначили командарма 1-го ранга С. К. Тимошенко, а штаб фронта возглавил заместитель начальника Генерального штаба командарм 2-го ранга И. В. Смородинов, тоже выходец из КОВО. На период отсутствия Тимошенко его обязанности исполняли его заместитель комкор В. Ф. Герасименко, а также некоторое время и Ватутин.
Прибыв на Карельский перешеек, Тимошенко существенно перестроил работу по подготовке прорыва линии Маннергейма и дальнейшего наступления вглубь территории противника. По решению нового командующего были сформированы стрелково-пулеметные бригады, лыжные батальоны, аэросанные и конно-санные роты. Во всех частях создали штурмовые отряды, а в подразделениях группы. Значительно были усилены артиллерийские и авиационные части. Многое было сделано и для тылового обеспечения войск. Бойцы и командиры получили теплое белье, валенки, полушубки, телогрейки, а взамен буденовок — шапки-ушанки. Перед тем как возобновить наступление, войска в течение месяца усиленно к этому готовились. Надо отдать должное Тимошенко, который взял на вооружение испытанный и проверенный опыт великого русского полководца А. В. Суворова. Как известно, Суворов, прежде чем идти на штурм турецкой крепости Измаил, велел соорудить валы и стены, подобные измаильским. После этого солдаты в течение шести дней усердно отрабатывали штурм, без устали кололи и рубили установленные на укреплениях соломенные чучела противника.
Аналогично поступил и Тимошенко. По его приказу в ближнем тылу были оборудованы полевые макеты вражеских укреплений, похожие на линию Маннергейма. Весь январь пехотинцы и сапёры, артиллеристы и танкисты днём и ночью «репетировали» выполнение предстоящих боевых задач. 11 февраля 1940 года фронт перешёл в решительное наступление, и уже к 1 марта считавшаяся неприступной оборонительная линия Маннергейма была прорвана. Дальнейшее сопротивление стало бесполезно — Финляндия запросила мира. Вскоре был подписан договор практически на тех же условиях, которые предлагали советские дипломаты еще до начала боевых действий.
Финская кампания стала для Тимошенко звёздным часом. За «образцовое выполнение заданий командования и проявленные при этом отвагу и геройство» 21 марта 1940 года Семён Константинович был удостоен звания Героя Советского Союза. К руководству Киевским особым военным округом он уже не вернулся, хотя после завершения военной кампании и прилетал на Украину, встречался с комсоставом штаба округа, в том числе и с Николаем Федоровичем. Тимошенко остался в Северной столице, возглавив Ленинградский военный округ. Правда, ненадолго. Спустя полтора месяца, 7 мая, его назначили народным комиссаром обороны СССР. В тот же день ему было присвоено и звание Маршала Советского Союза.