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»
