К концу декабря фронт стабилизировался. Попытки контрнаступления со стороны финских войск были пресечены, финны понесли большие потери.
В течение января и начала февраля на фронте наступило относительное затишье. Проводилась перегруппировка войск, пополнение вооружения и материальных запасов. Были сформированы подразделения лыжников, разработаны способы преодоления заминированной местности и заграждений, проведено обучение личного состава, в том числе по преодолению оборонительных сооружений. Создан Северо-Западный фронт под командованием командарма 1-го ранга С. К. Тимошенко, в состав фронта вошли 7-я и 13-я армии, действовавшие на Карельском перешейке.
1 февраля 1940 г. части РККА начали подготовку к наступательным действиям по широкому фронту на Карельском перешейке. Главный удар наносился в направлении Сумма. В результате артподготовки ежедневно на укрепления линии Маннергейма обрушивалось до 12 тысяч снарядов. 11 февраля части Северо-Западного фронта перешли в наступление с привлечением кораблей Балтийского флота и созданной в октябре 1939 г. Ладожской военной флотилии.
В ходе напряжённых трёхдневных боёв войска 7-й армии прорвали первую полосу обороны линии Маннергейма, что позволило ввести в прорыв танковые части, которые приступили к развитию успеха. К 17 февраля финские войска были отведены ко второй полосе обороны. К 21 февраля части 7-й армии вышли ко 2-й линии обороны противника, а части 13-й армии – к главной полосе обороны финских войск севернее Муола.
28 февраля армии Северо-Западного фронта, прорвав линию обороны, начали наступление по широкому фронту от оз. Вуокса до Выборгского залива. 13-я армия наступала в общем направлении на Антреа (Каменногорск), а 7-я на Виипури (Выборг).
2 марта начались боевые действия за овладение г. Выборг, 13 марта войска 7-й армии вошли в центральную часть Выборга.
После прорыва линии Маннергейма правительство Финляндии, не получив серьёзной помощи от союзников, обратилось к руководству СССР с предложением начать мирные переговоры. 7 марта в Москву прибыла финская делегация, 12 марта был заключён мирный договор, согласно которому боевые действия прекращались в 12 часов 13 марта 1940 г. Согласно договору к СССР отходили следующие территории Финляндии: Карельский перешеек и Приладожье (Виипурский, Кексгольмский, Сортавальский, Каннельярвский, Койвистовский и Раутовский районы) в том числе города Выборг, Сортавала и Кексгольм (Приозерск), крупные посёлки Лахденпохья и Койвисто