СССР требовал от Финляндии отдать Карельский перешеек, острова в Финском заливе, часть области Петсамо в обмен на земли в Карелии, которые были вдвое больше запрашиваемых территорий. Однако на запрашиваемых территориях располагалась линия Маннергейма, в которую финское правительство вложило огромные ресурсы, пожертвовав существенным процентом своего ВВП.
В Финляндии считали, что линия — единственное препятствие на пути Советского Союза и при её разоружении ничто не мешало РККА двинуться к Хельсинки и оккупировать страну целиком.
К ноябрю 1939 года переговоры зашли в тупик, и советское правительство стало регулярно обвинять финнов в приграничных провокациях. 29 ноября финский посол был вызван в Народный комиссариат иностранных дел, где ему была вручена нота об отзыве советских дипломатов. В тот же день финны отметили нападение на их пограничников у Петсамо.
Утром 30 ноября был сделан и последний шаг. Как говорилось в официальном сообщении руководства СССР, — «по приказу Главного Командования Красной Армии, ввиду новых вооружённых провокаций со стороны финской военщины, войска Ленинградского военного округа в 8 часов утра 30 ноября перешли границу Финляндии на Карельском перешейке и в ряде других районов».
Советская сторона сообщила, что поводом для вторжения послужил артобстрел со стороны финской границы. В тот же день авиация СССР совершила налет на Хельсинки, что спровоцировало европейских политиков на критику в адрес Союза. В ответ на неё нарком иностранных дел Молотов заявил, что советские самолёты сбрасывали на Хельсинки хлеб для голодающего населения. После данных слов советские бомбы стали называть в Финляндии «молотовскими хлебными корзинами».
При этом официального объявления войны так и не последовало.
Вскоре после начала военных действий в Финляндию стали прибывать отряды и группы добровольцев из разных стран мира. В общей сложности в Финляндию прибыло свыше 11 тысяч добровольцев, в том числе 8 тысяч из Швеции, 1 тысяча из Норвегии, 600 человек из Дании, 400 — из Венгрии, 300 — из США, а также граждане Великобритании, Эстонии и ряда других государств. На стороне Финляндии воевали также и представители русского белого движения в эмиграции.
Из-за плохо проведенной разведки, советские части имели лишь отрывочные данные об обороне финнов и за 12 дней подошли лишь к первой линии укреплений, понеся большие потери. Сил прорыва оказалось недостаточно и в Ленинграде и Карелии началась ограниченная мобилизация.
10 декабря красноармейцы смогли занять город Питкяранту на Северном Приладожье, но уже 12 декабря 4000 финнов окружили 20 000 бойцов РККА и разбили их, потеряв от сотни до двухсот человек. Потери Красной армии в битве Толваярви оцениваются в 4-5 тысяч человек.
Самыми успешными были действия советских войск в Заполярье, когда они в ходе сражения при Петсамо вышли к норвежской границе и лишили Финляндию выхода к Баренцеву морю. Уже 30 ноября были взяты полуострова Рыбачий и Средний, а 2 декабря и город Петсамо.
К концу декабря стало ясно, что попытки продолжить наступление ни к чему не приведут. На фронте наступило относительное затишье. В течение всего января и начала февраля шло усиление войск, пополнение материальных запасов, переформирование частей и соединений. Для штурма линии Маннергейма советское командование сосредоточило на фронте до 760 тысяч человек.
1 февраля 1940 года Красная армия, подтянув подкрепления, возобновила наступление на Карельском перешейке по всей ширине фронта. Этот штурм не принес результатов, линию прорвать не удалось.
11 февраля после десятидневной артподготовки началось генеральное наступление Красной Армии. Основные силы были сосредоточены на Карельском перешейке. В этом наступлении совместно с сухопутными частями Северо-Западного фронта действовали корабли Балтийского флота.
В ходе трёхдневных напряжённых боёв войска 7-й армии прорвали первую полосу обороны линии Маннергейма, ввели в прорыв танковые соединения, которые приступили к развитию успеха. К 17 февраля части финской армии были отведены ко второй полосе обороны, поскольку создалась угроза окружения. К 28 февраля оборонительные линии были прорваны в нескольких местах и финны отступили в Выборг.
Финское правительство поняло, что с потерей линии Маннергейма не сможет остановить советские войска и запросило мира. Уже 12 марта договор был подписан, но на следующий день Красная армия всё равно попыталась штурмовать Выборг, как предполагается, из-за того, что данные о прекращении боевых действий не были оперативно доведены до командующих.
Все официально объявленные территориальные претензии СССР были удовлетворены. Союз получил полный контроль над акваторией Ладожского озера и обезопасил Мурманск, который находился вблизи финской территории.
Согласно поимённым спискам, составленным в 1949–1951 годах Главным управлением кадров МО СССР и Главным штабом Сухопутных войск, потери Красной Армии в войне были следующими:
- погибло и умерло от ран на этапах санитарной эвакуации — 71 214;
- умерло в госпиталях от ран и болезней — 16 292;
- пропало без вести — 39 369.
Всего по этим спискам безвозвратные потери составили 126 875 военнослужащих. Историк Кривошеев оценивает число раненых, умерших в госпиталях и обмороженных в 248 тысяч человек, не считая умерших в боях.
Согласно официальному заявлению, опубликованному в финской печати 23 мая 1940 года, общие безвозвратные потери финской армии за войну составили 19 576 убитыми и 3263 — пропавшими без вести. Итого — 22 839 человек. Советские источники 1950-х годов сообщают, что потери противника были в 3 раза больше.