芬蘭的滑雪部隊身穿白色偽裝服，能夠在雪地中快速運動。當年的冬季溫度為零下40℃，芬蘭部隊經常偷襲蘇軍的食堂和篝火，遊擊戰效果很好。
芬蘭滑雪部隊大部分由職業獵人組成，他們經常從七八百米外偷襲蘇軍士兵，給蘇軍造成了巨大的恐慌。蘇軍派出大量巡邏隊，這些巡邏隊往往被芬軍消滅。許多蘇軍士兵稱芬軍為“白色死神”。
芬蘭共產黨人因其信仰不能進入芬軍，但他們並未投靠蘇軍。他們與同胞們一起打遊擊。這主要是因為部分芬蘭共產黨人投靠蘇聯後，反被斯大林清洗。
蘇聯軍官的整體素質很低，當時他們以為很快就可以取勝，甚至手挽手唱著歌向芬蘭推進。在大清洗中，80%的蘇聯軍官被撤換，新上任的都是忠於斯大林的黨員。斯大林用政委監督軍官。蘇軍根據軍事教科書指揮作戰，蘇軍的許多敗仗都是因指揮僵化造成的。
蘇軍並未準備冬季戰鬥的裝備。因為大量使用各類車輛，為了保證油料不被凍住，這些車輛必須24小時不熄火。
芬軍缺乏裝備，隻有受到最基本訓練的士兵才有軍服和輕武器，不過其他參戰人員後來大量使用了繳獲的蘇軍武器。
斯大林有很深的種族偏見，他懷疑當時在蘇芬邊界的部隊可能與芬蘭人有親戚關係或相同的文化曆史。參加芬蘭戰爭的蘇軍主要由南方部隊組成。蘇聯南方部隊不適應冬季寒冷和森林作戰。而大部分芬蘭人住在農村，長期生活在嚴寒中，對寒冷和森林戰的適應能力強。
芬蘭空軍雖然弱小，但訓練紮實，飛行員經常與其他國家飛行員交流。空軍使用先進的4機編隊，這種編隊與德國空軍的戰術編隊基本相似，4架飛機以兩架為小隊進行戰鬥，由資深的飛行員擔任小隊的長機，另一架由資曆較淺的飛行員駕駛，負責掩護長機和尋機攻擊敵機。
芬蘭空軍先進的戰術編隊到第二次世界大戰時逐漸被各國空軍效仿，後來發展成為現代戰鬥機戰術編隊的基礎。
當時，蘇聯空軍仍然采用一戰以來的3機編隊。飛行員訓練不紮實，編隊之間配合不好。空軍3機編隊中的僚機經常沒有目標，它們都隨長機開火，浪費彈藥的情況很普遍。戰鬥機經常丟下轟炸機，脫離轟炸空域。飛行員較低的素質以及呆板的編隊戰術，使蘇聯空軍損失慘重。轟炸機對芬蘭境內目標的轟炸效果很差。
蘇聯入侵芬蘭後，世界上許多國家都同情芬蘭。美國總統羅斯福發表演講，譴責蘇聯的侵略行為，向蘇聯實施禁運政策。
英國和法國向芬蘭援助了276架飛機、710門火炮，以及大量軍事物資。英國和法國想借道瑞典和挪威向芬蘭派遣遠征軍，但瑞典和挪威害怕蘇聯，禁止英軍和法軍過境。12月14日，國際聯盟通過決議將蘇聯開除。
蘇軍如此慘重的損失使斯大林大為震怒。很快，大批蘇軍高級軍官人頭紛紛落地。斯大林將總司令撤換，由在1939年指揮波蘭戰役的鐵木辛哥接任。鐵木辛哥調集大量部隊，人數多達90萬人，火炮2800多門。蘇軍在適應雪地和森林作戰上進行大量的改善。鐵木辛哥對蘇軍進行特訓，要求坦克必須支援步兵部隊。
蘇聯不顧世界輿論的反對，重新調整兵力部署，再次進攻芬蘭。1940年1月7日，鐵木辛哥率領蘇聯西北方麵軍（第7、13集團軍），準備集中兵力進攻卡累利阿地峽。蘇軍向芬軍陣地持續進行炮擊和空襲。僅2月1日一天，蘇軍就出動了200架轟炸機，向芬軍陣地進行了強大的火力打擊。蘇軍在24小時共發射3萬多發炮彈。
2月12日5時，蘇軍發起大規模攻勢。斯大林嚴令蘇軍隻許勝不許敗，蘇軍各級軍官完全不顧傷亡和裝備的消耗，以人海戰術衝鋒前進，許多地方的蘇軍屍體堆了三四層厚，芬軍寡不敵眾。憑借數量上的巨大優勢，經過3天激戰，蘇軍終於突破了曼納海姆防線。15日15時30分，芬軍退守第二防禦地帶。
2月28日，蘇軍的兵員得到進一步補充，以絕對優勢的裝甲部隊突破了芬軍陣地。幾天內，蘇軍包圍了在維堡市的芬軍第2集團軍。芬軍全麵瓦解，被迫承認戰敗。
3月12日，蘇芬在莫斯科簽署和約。蘇聯得到4.1萬多平方公裏的芬蘭領土，將蘇芬邊境向北移動了150公裏。芬蘭還被迫將漢科半島及附近水域租給蘇聯30年，蘇聯每年付給芬蘭800萬芬蘭馬克。但和約並未規定蘇聯戰前承諾換給芬蘭的領土。
由於蘇芬戰爭，芬蘭人緊密地團結起來了。斯大林在和約中做了個順水人情，同意不再支持芬共。蘇軍在戰爭中雖然勝利，但付出的代價太大。蘇軍對外宣布近50萬人傷亡，事實上傷亡可能比這個數字多一倍。從列寧格勒直到莫斯科，所有的醫療機構都擠滿了傷兵。
蘇聯將新得到的領土並入卡累利阿-芬蘭自治共和國，建立“東方防線”的第二環。在蘇芬戰爭中，芬軍戰死18000人，負傷4萬多人。