Лишь кровавым методом проб и ошибок советское командование наконец разобралось в том, что из себя представляет «линия Маннергейма». 7 января 1940 года Ленинградский военный округ был преобразован в Северо-Западный фронт, который возглавил командарм 1-го ранга Семен Тимошенко. На Карельском перешейке к 7-й была добавлена 13-я армия (комкор В. Д. Грендаль). За месяц подготовки к наступлению была обстоятельно разведана система укреплений. Обнаружено множество скрытых дотов и дзотов, по которым был открыт методический артиллерийский огонь. Улучшено питание и обмундирование бойцов. Например, вместо традиционных буденновок, шинелей и сапог солдаты получили шапки-ушанки, полушубки и валенки. В ближнем тылу войска отрабатывали методы штурма. Подтягивались новые резервы, оружие и боеприпасы. К началу февраля численность советских войск на Карельском перешейке превысила 400 тыс. человек. Она имела более чем тройное превосходство в людях и абсолютное — в танках и авиации.
Однако ограниченный фронт наступления в условиях зимнего бездорожья препятствовал маневренным действиям и получению выгод от численного превосходства. Советскому командованию приходилось вести лобовой, фронтальный натиск без использования флангового маневра. Подобная тактика требовала огромных затрат физических сил и материальных ресурсов атакующих, а также грозила им большими потерями.
Кстати, мировая практика еще не знала примера столь масштабного прорыва такой мощной системы долговременных укреплений, к тому же в условиях необычайно суровой зимы. К примеру, ни немцы, ни французы ни разу не рискнули штурмовать воздвигнутые ими линии Мажино и Зигфрида. Так, немецкая армия и в Первую, и во Вторую мировые войны предпочла фронтальному удару обход французских оборонительных позиций через Бельгию.
Наступление предполагалось вести на широком фронте, чтобы «растащить» резервы финнов. Генеральный штурм всей «линии Маннергейма» начался 11 февраля 1940 года после мощной более чем 2-часовой артиллерийской подготовки, которая оказалась весьма эффективной. Только в полосе наступления 7-й армии в день прорыва по финскими позициям было выпущено около 150 тыс. снарядов. Примерно такое же количество залпов дала 13-я армия. Сигналом к началу наступления стали специальные ракеты и перенос артиллерийского огня в глубину финской обороны. Вслед за огненным валом в бой двинулась советская пехота. Ей удалось без особого труда овладеть перепаханной снарядами первой линией укреплений. Но затем продвижение вперед застопорилось, перейдя в стадию «прогрызания» финской обороны.
Особенно тяжелой оказалась борьба с железобетонными, толстостенными (до 2 м) дотами, огонь которых мешал движению вперед пехоты. Только разрушив бетон, по словам Мерецкова, можно было обеспечить необходимое взаимодействие танков и пехоты. «Разрушение бетона» далось крайне нелегко. Только для уничтожения одного дота № 006 подвезенная танками на санях штурмовая группа израсходовала до 1 тонны взрывчатки. В разных ситуациях боя уничтожавшим доты мужественным саперам приходилось прилагать немыслимые, титанические усилия — сотни метров тащить взрывчатку по снегу на руках, перебираться под огнем через надолбы и завалы, расчищать минные поля, засыпать стреляющие амбразуры тяжелыми камнями.
Лишь после разрушения линии дотов были созданы условия для глубокого прорыва финской обороны. Только в полосе наступления 123-й стрелковой дивизии за три дня наступления было уничтожено 10 дотов и 30 дзотов. За успешные действия эта дивизия уже 13 февраля 1940 года первой была награждена высшей по тем временам правительственной наградой — орденом Ленина.
В районе наступления находилось немало густых, покрытых глубоким снегом лесов, что крайне затрудняло движение техники. Советским бойцам приходилось бороться не только с финской армией, но и с самой природой — разгребать снежные заносы, прорубать просеки и т. д. Многочисленная сеть речек и озер также создавала дополнительные препятствия для наступающих.
К 14 февраля в обороне финнов была пробита брешь длиной 4 км по фронту и 8–10 км в глубину. В ночь на 17 февраля финское командование, опасаясь выхода Красной Армии в тыл обороняющимся войскам, начало отводить их на вторую линию обороны, к которой передовые советские части вышли 21 февраля. Прорвать ее сходу не удалось. Сказалась, в частности, недостаточная подготовленность бойцов к перегрузкам зимнего наступления. Как вспоминал участник прорыва майор Рослый, «больной вопрос, который выявился во всех боях — это то, что наши бойцы и командиры мешковаты, неповоротливы, плохие физкультурники, быстро выдыхаются…».
На второй линии фронт временно стабилизировался. 26 февраля финские войска попытались перейти в контрнаступление, но были с потерями отражены. Оказалось, что финская армия плохо подготовлена к проведению энергичных контратак и более приспособлена к пассивной обороне. Советское наступление возобновилось 28 февраля. 2 марта наступавшие, несмотря на ожесточенное сопротивление финнов, прорвали большую часть линий обороны. Здесь был использован фланговый маневр. Советские воины совершили поход по льду Выборгского залива, что позволило им к 5 марта окружить Выборг — второй по значению политический, экономический и военный центр Финляндии.
7–9 марта наступавшие части пробились к окраинами города. 12 марта в Выборге еще шли ожесточенные бои, когда советская и финская стороны подписали в Москве мирный договор, который прекратил эту войну. 13 марта военные действия завершились. В ходе штурма «линии Маннергейма» Красная Армия понесла большие потери, которые составили 190 тыс. человек. Урон финнов — свыше 50 тыс. человек. За прорыв «линии Маннергейма» Тимошенко получил звание маршала.
Помимо борьбы за Карельский перешеек военные действия против Финляндии охватывали огромную территорию, протянувшуюся на тысячу километров от Ладожского озера до Баренцева моря. Здесь можно выделить три основных участка — северный, центральный и южный. Северный участок в основном ограничился районом Петсамо (ныне Печенга) в Заполярье, где действовала 14-я армия (комдив Фролов). Ей противостояла Лапландская группа генерала Валениуса.
Наиболее протяженным был центральный участок, протянувшийся более чем на 400 км от Кандалакши до района населенного пункта Реболы. Здесь действовала 9-я армия (комкоры М. П. Духанов, затем В. И. Чуйков). Им противостояла северофинляндская группа генерала Туомпо. Далее от Реболы до Ладожского озера шел южный участок, где располагалась 8-я армия (комдив И. Н. Хабаров, затем командарм 2-го ранга Г. М. Штерн). На данном участке действовали Карельская группа генерала Талвела и IV корпус генерала Хегглунда. Общая среднемесячная численность советских армий севернее Ладожского озера превышала 350 тыс. человек.
Общая задача всех трех перечисленных советских армий заключалась в оттягивании части финских сил с Карельского перешейка за счет их рассредоточения по всему периметру границы. Имелись и более конкретные стратегические цели. Речь прежде всего идет о южном и центральном участках. Так, советские войска, наступавшие на южном участке, могли прорваться севернее Ладожского озера и выйти в тыл находившейся на Карельском перешейке «линии Маннергейма». Не менее ценным в стратегическом отношении был центральный участок, прежде всего район Ухты. На данной параллели находилось самое узкое место финской территории. Наступая из района Ухты, Красная Армия выходила в район Ботнического залива и разрезала Финляндию пополам.
Однако из-за слабого взаимодействия войск, их неподготовленности к действиям в специфических условиях зимнего продвижения и незнания местности реализация наступательных задач на центральном и южном участках закончилась неудачей. Малая заселенность этих районов, недостаточно развитая сеть дорог, болотисто-лесистая местность и большая протяженность территорий усиливали отрицательное влияние зимы на данных участках военных действий. В ходе боев севернее Ладоги в декабре — феврале 1939–1940 гг. обладавшие меньшей численностью финны последовательно нанесли поражение нескольким советским дивизиям, часть из которых навеки исчезла в заснеженных лесах.