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苏联对芬兰的战争未能如苏联预料的那样能够迅速“解放”芬兰全境，也未能迫使芬兰求和。苏联高层震怒，为挽回颓势，也为了维护苏联的大国形象，继续向芬兰边境增兵，新调了24个师，并以铁木辛哥接管指挥权，准备再大干一场。
芬兰人也没闲着，但是毕竟和苏联相比，人力物力都太微不足道了。440万人动员了54万人上前线，这个动员比例已经是国内能够承受的极限了，重武器也明显不足，虽然英法向芬兰紧急援助了156架飞机、火炮400门、反坦克炮85门，但是在苏军数以千计的技术兵器面前，只能算是杯水车薪，聊胜于无。
芬兰抗击苏联的入侵，像中国的“抗日战争”一样，广泛的获得了国际上的同情和支持，共有1,010丹麦志愿者、895位挪威志愿者、372英国志愿者、346位芬兰在外国的移民和210来自其他国家的志愿者参加了战斗。瑞典组织了6个营共计8402名的志愿军直接参加了苏芬战争，其中包括瑞典三分之一的空军，他们告别了祖国和家人，放弃了瑞典的军衔，准备到苏芬前线为斯堪的纳维亚兄弟舍弃一切，甚至包括生命。
德国，柏林。希特勒在办公室接见了芬兰特使。希特勒面对这位芬兰特使心情复杂，而又略带尴尬。希特勒知道芬兰经过苏芬战争，对苏联恨之入骨，是在以后发动对苏战争之后可以倚重的一支重要力量。但是此时，因为在《苏德互不侵犯条约》的秘密协议里明确规定了芬兰是苏联的势力范围。所以德国无法摆到明面上援助芬兰，而过早的破坏苏德关系。
“尊敬的第三帝国元首，芬兰正在遭受苏联的野蛮入侵，第三帝国是避免XX扩散的保护者，芬兰现在需要第三帝国的帮助。”芬兰特使恳请道：“希望第三帝国能够像帮助西班牙那样帮助芬兰，或者介入调停。”
“唔。。。。。。这个。。。。。。。。”芬兰毕竟是未来第三帝国的战争步伐而经过德苏两国密约出卖给苏联的，希特勒有点心虚：“现在和西班牙时期的情况不太一样，特使先生，你也知道，英法两国已经对我国宣战，现在我国在进行一场防御性的战争。实在没有能力援助芬兰，不过，调停苏芬停战一事，德国可以考虑。”
“尊敬的元首，我国为了抗击苏联的入侵，已经做出了巨大的牺牲，苏联还不肯善罢甘休，目前我国已经陷入绝境，非常希望第三帝国能够施以援手。”芬兰特使恳切的说道：“鄙国理解第三帝国，如果不能派军队支援芬兰抗战，能否支援芬兰一些武器和物资呢？我们极度缺乏重武器。”
希特勒知道苏芬战争持续不了多久，还是以拖为上，现在先假意应付一下：“特使先生，我答应你，我会马上命令相关部门向芬兰转运武器。同时，我也相信英勇的芬兰人民不会屈服于苏联的野蛮入侵。”
打发走芬兰特使，希特勒向陪同而来的戈林和里宾特洛普发问：“你们两人以为现在应该怎么处理芬兰的请求？”
“我们不能坐视芬兰被消灭，这对帝国是不利的，我们应该对芬兰加以援助。但是我们有协议在手，不能以德国的国家名义，我的空军可以派出一支规模不小的部队，以志愿者的身份参加苏芬战争。”戈林不愧是一位有情有义的男子汉，爱憎分明：“最次，我们也应该援助芬兰一些武器，防空和反坦克武器，芬兰尤为缺乏。”
“我的元首。”里宾特洛普说道：“我们毕竟和苏联签订过协约。我们不能主动破坏它，尤其是现在西线我们还承受着英法的压力，我们需要一个非常稳定而可靠的东线。我认为我们不能介入苏芬战争。不过，在外交上我们可以努力一下，调停苏芬尽快停战。”
“是的，我们现在需要一个稳定的东线，一点问题不能出，在打败法国以前。”希特勒一拳砸向地图上的苏联：“一定不能破坏苏联和我们的友好关系，苦难只能让芬兰承受了，不过很快，芬兰就能得到补偿。”
1940年2月1日，得到补充和修整的苏军，在名将铁木辛哥的统领之下，恢复向芬兰曼纳海姆防线的进攻。当天，苏联出动轰炸机500架，密集轰炸了芬兰首都赫尔辛基，炸毁包括12届奥运会主会场在内的大量建筑，给芬兰人民造成了巨大的伤害，炸死炸伤包括儿童和妇女在内的平民9000多人。各国媒体争相曝光，苏联外长莫洛托夫面对如山铁证仍然坚持辩称道：“苏联并未空袭芬兰，只是给芬兰首都内饥寒交迫的平民空投面包而已”。所以苏联空军的炸弹被芬兰戏谑称为“莫洛托夫面包篮”。
因为苏军在战争的第一阶段，东部和中部森林地带作战被芬军打得十分被动，整师整师的成建制被芬军歼灭，所以心有余悸。第二阶段铁木辛哥把重点进攻方向调整到了芬军重点防御曼纳海姆防线一带。这是苏军的一个战略失误，把战争形式带回了和第一次世界大战一样的硬碰硬的战壕攻防战。
铁木辛哥指挥苏军第7、第13集团军，共21个步兵师、6个坦克旅的兵力，在卡累利阿地峡实施重点进攻，以2个集团军的相邻翼侧向维堡方向实施主要突击。在进攻前的24小时的炮火准备中，投入440门大口径火炮，共向发射炮弹30多万发，摧毁了主要方向上的芬军大部分火力点，这一战也奠定了苏军日后的“大炮兵”思想。芬军将士寸土不让，依托曼纳海姆防线死守，给予了苏军很大的杀伤。反坦克武器不足，他们就身披伪装服，预先埋伏在雪地上，等苏军坦克靠近，一跃而起，向苏军坦克投掷用玻璃瓶装汽油、磷、助燃剂的燃烧瓶，烧毁苏军大量的坦克。芬兰官兵称之为“这是给莫洛托夫的鸡尾酒”，于是“莫洛托夫鸡尾酒”遂成为汽油弹的别称。
到1940年2月5日，以英国为首的同盟国决定援助芬兰，2月5日同盟国考虑3月20日在挪威北部登陆10万人的英国军队和35000人的法国军队，穿过瑞典进入芬兰，但需要在芬兰政府要求的条件下。并向挪威和瑞典政府提出要求，希望将这两个中立国带入同盟国一方。
希特勒知道，其实英法根本不打算和苏军交火，只是想以此为借口占领挪威北部的铁矿，以阻断德国的战略物资来源。所以在1939年12月时德国已经正式向瑞典政府照会，如果同盟国军队踏上瑞典国土一步，德国将立即对瑞典展开全面进攻。所以瑞典和挪威政府都不敢接受英法的要求。
1940年2月15日凌晨，苏军经过半个月的艰苦作战，第7集团军在曼纳海姆防线的主要防御地带打开了一个宽5公里、纵深5～6公里的突破口，并将坦克和装甲车组成的快速集群投入交战，这便是图哈切夫斯基设计的大纵深作战的典型战术思想，以步兵打开突破口，装甲部队迅速从突破口投入战斗。芬军被迫退守第2防御地带。1940年2月18日，第7集团军从行进间突破第2防御地带没有成功，其右翼因第13集团军进展缓慢而暴露。在这种情况下，苏军为了突破第2防御地带再次停止进攻，调整部署。芬军也趁机休整，将拉多加湖以北的部分兵力南调，加强卡累利阿地峡的防御。
1940年2月28日，苏军得到修整补充后再一次开始进攻。第7集团军右翼兵团从东北包围了维堡筑垒地域，其左翼兵团4个师从冰封的海面上越过维堡湾，绕过维堡城，切断了通往芬兰首都赫尔辛基的公路，攻占了维堡大部地区。1940年3月11日，苏军对维堡发起不顾伤亡的强攻，付出惨重伤亡后，终于占领了被战火摧毁殆尽的维堡城。
芬军此时已濒于兵员枯竭、弹尽粮绝、外援无望的绝境，再坚持下去已经没有意义了。在这种情况下，在瑞典的斡旋下芬兰政府于3月7日派代表至莫斯科与苏联议和。1940年3月12日两国在莫斯科签订和平协定，芬兰被迫割让给苏联卡累利阿地区。包括芬兰第二大城市维堡，芬兰还割让了巴伦支海上的里巴奇半岛、芬兰湾中四个岛屿、部分萨拉区域，并将汉科半岛租借给苏联作为海军基地，租借期30年。
芬军总司令曼纳海姆痛楚地说：“该条约给我国的战略地位带来了灾难性的后果。我们丧失了本来可以保证我们阻止入侵军队前进的全部要地。新的国界使芬兰暴露在侵略者面前，而汉科则像一支指向我国心脏的手枪。”
英国海军大臣丘吉尔称赞芬兰说道：“孤军奋战的芬兰，在死亡威胁下的出类拔萃的、崇高的芬兰，显示了自由的人所能做到的事情。芬兰对人类作出的贡献是伟大的，如果自由之光在斯堪的纳维亚北方最终被熄灭的话，那很可能预告黑暗时代的重新降临。”
苏芬战争落幕了，经过3个多月的战争。苏军向世界显示了它经过大清洗后的战斗力低下和无能，芬军以25000人阵亡的代价换取苏军13万人战死，近60万人负伤或被俘，被击毁或缴获坦克2100辆、火炮9000多门。一位参加了苏芬战争的苏军将领无奈的说道：“我们只是夺得了足够埋葬我们阵亡将士的土地。”
当苏芬停战以后，希特勒异常兴奋，他知道，芬兰对苏联的仇恨已经深深的烙进每一个芬兰人的心，这对不久以后就要爆发的苏德决战有数不尽的好处，德国又能有一个坚定并且战斗力强悍的盟友。他授意外交部，加强和芬兰的接触，力争把芬兰拉到德国的统一战线中来。军方也加强对芬兰的军事援助，为以后的战争提前做好准备，毕竟芬兰比意大利要靠谱得多。