Частям Красной Армии противостояла Армия перешейка (командующий генерал-лейтенант Х. Эстерман) в составе II и III армейских корпусов и войска прикрытия (в начале декабря переформированы в 1-ю пехотную дивизию). С началом войны войска прикрытия стали отходить, ведя сдерживающие бои, минируя дороги, создавая заграждения и засеки. Население уходило в тыл, и большинство построек сжигалось, чтобы ими не воспользовались части Красной Армии.
Несмотря на подавляющее превосходство в силах, наступавшие продвигались очень медленно, примерно 5–6 км в сутки (более чем в два раза медленнее, чем планировалось). Небольшое количество дорог и недостаточно хорошая организация движения приводили к пробкам, возникали заторы, многие подразделения сбивались с пути. Ночью части Красной Армии прекращали бои и переходили к обороне.
Наибольшего успеха достигли войска на правом фланге армии, где финские части вынуждены были отойти на главную полосу обороны за реку Тайпаленйоки и озеро Сувантоярви. Поэтому было решено осуществить прорыв фронта здесь. Для этого 4 декабря формируется оперативная группа под командованием комкора В. Грендаля в составе 49 и 150-й стрелковых дивизий, одного полка 142-й стрелковой дивизии, 10-го танкового корпуса и нескольких артиллерийских полков. Задача группы — выйти во фланг и тыл финнов в район Кексгольм. Но войска не сумели прорвать оборону противника, и к 8 декабря операция была прекращена.
К 13 декабря четко обозначилось направление главного удара советских войск — вдоль шоссейной и железной дороги Ленинград Выборг. Прорыв планировалось осуществить частями 50-го стрелкового корпуса, затем для развития успеха предполагалось ввести танки 10-го танкового корпуса. Из-за перегруппировки войск начало наступления отложили на несколько дней.
17 декабря три стрелковые дивизии при поддержке 20-й тяжелой танковой бригады попытались прорвать оборону финнов в районе Сумма — Хоттинен и в районе высоты 65.5 (в направление станции Ляхде). В течение 17–20 декабря здесь шли ожесточенные кровопролитные бои. Танкистам 20-й танковой бригады два раза удалось прорваться через укрепления и выйти в тыл финнам. Однако советская пехота была отсечена от танков, а без пехоты закрепить достигнутый успех не удалось.
К 21 декабря советскому командованию стало ясно, что наступление выдохлось, не принеся результатов. Сочтя обстановку благоприятной, финское командование решило перейти в наступление и разбить противника. Для этого Армия перешейка была пополнена 6-й пехотной дивизией из резерва. В наступлении, начавшемся 23 декабря, участвовало пять дивизий из семи, находившихся на перешейке. Однако командование 7-й армии быстро приняло оперативные меры, и финское наступление быстро захлебнулось.
К 27 декабря бои на Карельском перешейке затихли. Командованию Красной Армии стало ясно, что быстро разгромить Финляндию не удастся. В прошедших боях части понесли большие потери, выявилось множество недостатков в руководстве и снабжении войск, которые оказались не подготовлены к войне в условиях суровой зимы. Поэтому было принято решение приостановить наступление и серьезно готовиться к прорыву «линии Маннергейма». Для более гибкого управления войсками 26 декабря группа Грендаля была переформирована в 13-ю армию. Для объединения действий 7 и 13-й армий 7 января 1940 года был сформирован Северо-Западный фронт (командующий фронтом командарм 1-го ранга С. Тимошенко, начальник штаба И. Смородинов, члены Военного совета А. Жданов и А. Мельников). В течение января — начала февраля 1940 года на Северо-Западном фронте велась усиленная подготовка к прорыву «линии Маннергейма». За это время он был усилен 12 стрелковыми дивизиями, а также большим количеством других частей (танковые и лыжные батальоны, артиллерийские полки и т. д.). Части усиленно готовились к штурму укреплений, отрабатывались вопросы взаимодействия с пехотой, саперами и танкистами. С наступлением сильных морозов стали строить утепленные землянки, создавались обогревательные пункты. Для повышения калорийности питания бойцам на фронте с января 1940 года увеличили норму потребления сахара, ввели в ежедневный рацион сало и 100 граммов водки. Части Красной Армии постоянно вели бои местного значения с целью изматывания противника, вскрытия системы обороны финнов и уничтожения системы их укреплений.