Sota päättyi 105 päivää myöhemmin Moskovan rauhansopimukseen. Talvisodan syttymistä edelsivät neuvottelut, joissa Suomea painostettiin siirtämään itärajaa kauemmaksi Leningradista. Suomi ei neuvotteluissa suostunut Neuvostoliiton esityksiin.
Sota käynnistyi Mainilan laukauksista. Kyseessä oli Neuvostoliiton lavastama isku, jota käytettiin sotatoimien käynnistämisen oikeutuksena.
Sota on tunnettu erityisen vaikeista talviolosuhteista, sillä talvi 1939–1940 oli vuosisadan kylmimpiä. Sota muistetaan myös puna-armeijan valtavista tappioista, suomalaisten mottitaktiikasta sekä ns. talvisodan hengestä.
Suurimmat ja merkittävää kansainvälistä huomiota herättäneet voitot suomalaiset saivat Suomussalmen taistelussa 27.–29. joulukuuta 1939 ja sitä seuranneessa Raatteentien taistelussa 1.–7. tammikuuta 1940. Taistelutoimista vastasi suomalaisten puolella 9. divisioona eversti Hjalmar Siilasvuon johdolla.
Taistelussa tuhottiin suhteellisen vähäisin suomalaisjoukoin Neuvostoliiton 163. ja 44. jalkaväkidivisioonat sekä saatiin huomattava sotasaalis.
Suomen hallitus ja ulkoasiainvaliokunta hyväksyivät Neuvostoliiton laatiman rauhansopimuksen 11. maaliskuuta ja Moskovan rauhansopimus allekirjoitettiin 12. maaliskuuta 1940.
Rauhansopimuksen mukaan Suomi luovutti Neuvostoliitolle osan Sallaa ja Kuusamoa, Kalastajasaarennon Petsamosta, Suomenlahden ulkosaaret ja suuren osan Karjalaa mukaan lukien Viipurin eli käytännössä vuoden 1721 Uudenkaupungin rauhan rajalinjaa seuraillen.
Suomi joutui myös vuokraamaan Hangon Neuvostoliitolle tukikohdaksi 30 vuodeksi sekä rakentamaan Kantalahden ja Sallan välille rautatien.
Lisäksi kaikkiaan 430 000 suomalaista lähti evakkoon Neuvostoliitolle luovutetuilta alueilta.