30 ноября 1939 года началась советско-финская война. По решению военного совета Ленинградского военного округа опытные танки СМК, Т-100 и КВ были сняты с испытаний и отправлены на фронт — для проверки их в реальной боевой обстановке. Из них сформировали роту тяжёлых танков и включили её в состав 91-го танкового батальона 20-й тяжёлой танковой бригады. При этом экипажи машин частично состояли из военных, а частично — из заводских специалистов.

К этому времени стало окончательно ясно, что спаренная установка двух пушек стесняет действия экипажа. Поэтому накануне отправки КВ на Карельский перешеек с него демонтировали 45-мм пушку, установив взамен 7,62-мм пулемёт ДТ. Соответственно изменился и боекомплект машины — теперь он состоял из 116 артвыстрелов и 1890 патронов.

Для проверки боевых качеств новых машин был выбран довольно трудный участок фронта. К нему танки выдвигались через Териоки[1] (ныне Зеленогорск), далее прошли Райволу и вышли в район Бобошино, что недалеко от станции Перкиярви (ныне Кирилловское). Позиция противника находилась между озером Суммаярви и незамерзающим болотом Сунасуо. Финские доты на высотках были вооружены шведскими 37-мм противотанковыми пушками «Бофорс» и пулемётами. Перед ними стояли гранитные надолбы. Тяжёлым танкам предстояло атаковать эти укрепления.

В своём первом бою 18 декабря 1939 года танк КВ проявил себя хорошо. Несмотря на многочисленные попадания, явных поражений брони он не имел. Правда, выстрелом из противотанкового орудия был прострелен ствол танковой пушки. Кроме этого, на корпусе насчитали следы 43 попаданий снарядов. От сотрясений отсоединился топливный насос, закреплённый двумя болтами. В целом же танк оставался вполне работоспособным. Простреленную пушку на следующий день заменили новой, привезённой с Кировского завода. По совпадению именно в этот день — 19 декабря 1939 года — в Москве Председатель Совета Народных Комиссаров В. М. Молотов подписал постановление Комитета Обороны при СНК СССР № 44Зсс, согласно которому танк КВ принимался на вооружение Красной Армии. При этом опытный образец прошёл только 550 км, что ничтожно мало для проверки надёжности новой боевой машины. Однако считалось, что часть узлов и агрегатов танка (подвеска, ходовая часть, элементы трансмиссии и т. д.) прошли испытания на танке СМК.

30 декабря 1939 года нарком тяжёлого машиностроения В. А. Малышев подписал приказ, которым предписывалось:

Опытный образец КВ находился на передовой до начала января 1940 года. Правда, в боях танк больше не участвовал. 2 января машину вернули на завод для использования в качестве образца при изготовлении установочной партии из 20 единиц. При этом первые четыре машины должны были вооружаться 152-мм гаубицами для борьбы с финскими дотами и уничтожения противотанковых препятствий. Таково было требование Военного совета Северо-Западного фронта.

Танк КВ № У-3. На корме башни хорошо видна броневая крышка люка для монтажа и демонтажа орудия.

Проект установки 152-мм гаубицы в танк разрабатывался совместными усилиями СКБ-2 и артиллерийского опытного конструкторского отдела — АОКО (завод № 172 им. Молотова) во главе с Н. В. Куриным. Ведущими инженерами были Н. Н. Ильин и Г. Н. Рыбин. Всего этот коллектив насчитывал около 20 человек. Времени на работу дали мало — всего несколько дней. Поэтому участвовавших в ней конструкторов перевели на казарменное положение и разместили на четвёртом этаже заводоуправления. Первоначально предполагалось установить в башне КВ гаубицу образца 1909/30 г. Однако предпочтение отдали более мощной и современной артсистеме М-10 — 152-мм гаубице образца 1938 г. Для её установки в танк потребовалось разработать новую башню, что и было сделано в СКБ-2 по выданным артиллеристами размерам. Высоту башни с перископом увеличили до 1790 мм. Башня имела наклонные лобовые и вертикальные бортовые листы. Кормовую часть башни выполнили из двух броневых листов, сваренных под углом друг к другу, она оснащалась люком для монтажа и демонтажа гаубицы в полевых условиях, закрывавшимся броневой крышкой, крепившейся на болтах. При этом новая башня (вместе с орудием она получила обозначение МТ-1) имела такой же диаметр погона, что и башня с 76-мм пушкой. Следует отметить, что обозначения КВ-1 и КВ-2 появились только в 1941 году, а до этого применялись названия: «танки с малой башней» и «танки с большой башней».

Первую установку МТ-1 смонтировали на первом же опытном образце КВ У-0 вместо башни с 76-мм орудием, вторую — на первом танке установочной партии У-1. 17 февраля обе машины убыли на Карельский перешеек. Характерной особенностью машины У-1 стало наличие специальной крышки на дульном срезе, предохраняющей канал ствола от пуль и осколков. Перед выстрелом эта крышка должна была открываться с помощью специальной тяги, а затем снова закрываться. Однако при первом же выстреле в тире крышку сорвало, и перед отправкой на фронт её демонтировали. Для защиты же ствола гаубицы от пуль и осколков на него надели специальные броневые кольца толщиной 10 мм (впоследствии такими кольцами оснащались орудийные стволы всех танков КВ-2).

Танк У-2 с башней машины У-0 с 76-мм орудием отправили на фронт 22 февраля, а 29-го числа — танк У-3 с установкой МТ-1. Танк У-4 с МТ-1 был готов к 13 марта 1940 года, но на боевые позиции его отправить не успели — советско-финская война закончилась.

На фронте все КВ и опытный образец танка Т-100 свели в отдельную роту, придававшуюся 13-й легкотанковой и 20-й тяжёлой танковой бригадам. Правда, проверить КВ в боевой обстановке стрельбой по дотам не удалось: главная линия обороны финнов уже была прорвана. Поэтому танки опробовали стрельбой по дотам и надолбам уже после окончания боевых действий. При этом получили хорошие результаты. Вспоминая об этих событиях, командир танка КВ «с большой башней» младший лейтенант З. Ф. Глушак из 20-й танковой бригады рассказывал:

Следует упомянуть о двух проектах на базе танка КВ, разработанных для нужд фронта. Первый — объект 212 — представлял собой 35-т тягач для эвакуации подбитых танков. Ведущим инженером проекта назначили инженера Н. В. Халкиопова. В конце февраля 1940 года проект тягача и его деревянная модель в натуральную величину были рассмотрены представителями АБТУ. Но несмотря на то, что эта машина получила высокую оценку военных, «добро» на её изготовление в металле так и не было получено.