Поражение на международной арене сопровождалось и военными неудачами. Войска 7-й армии под командованием командарма 2-го ранга В. Ф. Яковлева, недостаточно подготовленные к ведению боевых действий в лесистой местности с прорывом сильной укрепленной обороны, сумели к началу декабря выйти только к главной полосе «линии Маннергейма». Более успешно действовали соединения 14-й армии комдива В. А. Фролова, которые при поддержке огня корабельной артиллерии Северного флота сумели в течение 10 дней овладеть полуостровами Рыбачий и Средний, городом Петсамо. За это же время войска 9-й армии комкора М. П. Духанова в условиях бездорожья продвинулись на глубину 30–45 км, а 8-й армии — на 75–80 км.

Неудача 7-й армии вынудила 9 декабря Главный военный совет ликвидировать существовавшее «фактически фронтовое управление», а непосредственное руководство 14, 9, 8 и 7-й армиями, а также Балтийским и Северным флотами возложить на Ставку Главного командования Красной армии. Командующим 7-й армией был назначен командарм 2 ранга К. А. Мерецков. Однако это назначение не привело к существенным изменениям в обстановке. Войскам армии не удалось прорвать главную полосу обороны «линии Маннергейма». Маршал Ворошилов 21 декабря признал неспособность войск Красной армии продолжать дальнейшее наступление. Поэтому 28 декабря Главный военный совет РККА принял решение о приостановке наступления и подготовке к новой операции по прорыву «линии Маннергейма».

В начале января 1940 г. состоялось заседание Политбюро ЦК ВКП(б) с участием руководства наркомата обороны, Генштаба, командующих войсками Ленинградского, Западного особого и Киевского особого военных округов. Подготовку заседания возложили на Шапошникова. К этой работе он привлек и Василевского. На заседании был принят план прорыва «линии Маннергейма», разработанный ранее под руководством Шапошникова. По решению Главного военного совета от 7 января был создан Северо-Западный фронт под командованием командарма 1-го ранга С. К. Тимошенко, которому в оперативном отношении подчинялся Балтийский флот. В состав фронта вошли 7-я армия и созданная в конце декабря 13-я армия во главе с командармом 2-го ранга В. Д. Грендалем. В подчинении наркома обороны оставались 8-я армия командарма 2-го ранга Г. М. Штерна, 14-я армия и формирующаяся 15-я армия под командованием командарма 2-го ранга М. П. Ковалева. В резерве Главного командования находились кавкорпус, три стрелковые дивизии и одна танковая бригада.

К началу февраля 1940 г. для нового наступления была сосредоточена группировка войск, насчитывавшая почти 975,7 тыс. человек, 1558 танков и 257 бронеавтомобилей[7]. Войска на специально оборудованных полигонах обучались ведению боевых действий в сложных условиях лесисто-болотистой местности с прорывом мощных долговременных оборонительных сооружений. Авиация с 3 января наносила систематические и сильные бомбовые удары с воздуха по расположенным глубоко в тылу административным и военно-промышленным объектам, железнодорожным узлам, портам. С 30 января артиллерия, а при летной погоде и авиация, разрушали огневые точки противника, проделывали проходы в заграждениях, наносили удары по его артиллерии и резервам.

11 февраля в полдень после продолжительной артиллерийской подготовки (в полосе 7-й армии — 2 часа 20 минут, в 13-й армии — 3 часа) войска Северо-Западного фронта перешли в наступление. В ходе упорных боев удалось 14 февраля прорвать главную полосу «линии Маннергейма». На следующий день главнокомандующий вооруженными силами Финляндии маршал К. Г. Э. Маннергейм разрешил своим войскам отойти на промежуточный рубеж. В ходе их преследования соединения 7-й армии, широко используя подвижные группы, 19 февраля вышли ко второй полосе обороны, но прорвать ее с ходу не смогли. Левофланговые соединения 13-й армии к этому времени подошли к главной полосе обороны «линии Маннергейма». С целью более тщательной подготовки войск к дальнейшим действиям командующий Северо-Западным фронтом предоставил им отдых.

22 февраля правительству Финляндии были направлены новые условия для заключения мирного договора. До начала переговоров Финляндия должна была передать СССР Ханко, Карельский перешеек и Выборг, северо-восточное побережье Ладоги и Сортавалу, заключить оборонительный союз. Однако правительство Финляндии, надеясь на помощь Запада, не торопилось принимать эти условия.

28 февраля войска Северо-Западного фронта возобновили наступление. Оно велось в исключительно трудных условиях: мороз достигал иногда 40–45 градусов; снежные сугробы глубиной до двух метров затрудняли продвижение и доставку боеприпасов и вооружения. Несмотря на это, войска 7-й армии к исходу дня прорвали вторую полосу обороны и к 1 марта вышли на подступы к Выборгу. Войскам 13-й армии удалось прорвать главную полосу обороны только на отдельных участках.

Успехи Красной армии вынудили правительство Финляндии 8 марта начать мирные переговоры с правительством СССР. В состав советской делегации вошел и Василевский. Ему под руководством Молотова и Шапошникова пришлось готовить все предложения относительно новых границ, которые и выносились на обсуждение при переговорах. 12 марта между СССР и Финляндией был подписан мирный договор. Согласно договору с 12 часов следующего дня военные действия были прекращены, граница на Карельском перешейке отодвигалась на 120–130 км (за линию Выборг — Сортавала). К СССР отошли небольшая территория севернее Куолаярви, несколько островов в Финском заливе, финская часть полуостровов Средний и Рыбачий в Баренцевом море, а в аренду на 30 лет передавался полуостров Ханко с правом создания на нем военно-морской базы. Для демаркации новой государственной границы была создана смешанная комиссия, которую с советской стороны возглавил Василевский. В течение двух месяцев члены комиссии тщательно изучали участки проведения пограничной линии, как с точки зрения природной характеристики местности, так и с учетом экономической целесообразности для той и другой стороны. При этом некоторые вопросы решались на месте, в условиях довольно острых разногласий. «В конечном счете работа была признана удовлетворительной, — пишет Александр Михайлович. — Ее результаты вполне обеспечивали государственные интересы СССР и в то же время позволяли нам сохранять добрососедские отношения с Финляндией»[8].

Война Советского Союза с Финляндией, продолжавшаяся почти три с половиной месяца, обошлась дорогой ценой для обеих сторон. Потери Красной Армии составили: безвозвратные -126 875 человек, санитарные — 264 908 человек[9]. По неполным данным было потеряно 3179 танков, в том числе 1904 в боях[10], а также 422 боевых самолета (из них почти половина потерпела аварию или катастрофу). Потери Финляндия, по финским источникам, составили 48243 человека убитыми и 43 тыс. ранеными[11], по другим официальным источникам — 95 тыс. убитыми и 45 тыс. ранеными[12].