6 марта финляндская делегация во главе с премьер-министром Рюти выехала в Москву. Предложение финнов о немедленном прекращении огня было отклонено. Переговоры начались 7 марта, и советская делегация, возглавляемая Молотовым, отказалась рассматривать какие-либо изменения предложенных ранее условий. Вместо этого русские выдвинули два совершенно новых требования о передаче им части территории в районе Салла — Куусамо и о строительстве железнодорожной ветки от Мурманской железной дороги до Кемиярви и затем далее к Ботническому заливу.

Правительство в Хельсинки было возмущено этим, как оно считало, нечестным приемом советской стороны, но 9 марта оно получило доклад о военной обстановке, который предсказывал возможность полного развала финской обороны в ближайшее время. На основе этого доклада Маннергейм решительно потребовал заключения мира, и правительство уполномочило делегацию — в случае единодушного согласия — подписать договор на русских условиях. 11 марта западные союзники в последней попытке помешать Финляндии заключить мир публично заявили о своем предложении прийти ей на помощь, но на этот раз финны остались верны принятому решению. 12 марта финляндское правительство направило делегации официальный мандат на подписание договора. В самый последний момент посланник Англии заявил финляндскому правительству, что западные союзники преодолеют норвежское и шведское сопротивление их планам, но заявление запоздало.

В этот же вечер в Москве состоялось подписание договора, и военные действия прекратились в 12.00 13 марта.

Согласно Московскому мирному договору 1940 года, в состав территории СССР включался весь Карельский перешеек, западное и северное побережье Ладожского озера; территория восточнее Меркярви с Куолоярви, часть полуострова Рыбачьего. Финляндия сдавала в аренду СССР сроком на 30 лет полуостров Ханко и прилегающие к нему острова и морскую территорию «для создания там военно-морской базы», а также соглашалась на строительство на своей территории железной дороги Кандалакша — Кемиярви. Советский Союз снял свое предложение о заключении пакта о взаимной помощи и обязался вывести свои войска из области Петсамо.

Советские делегаты отстаивали условия договора ссылками на соображения военной безопасности. База на полуострове Ханко позволит закрыть проход в Финский залив враждебным кораблям; новая граница обеспечит организацию более глубокой обороны Ленинграда; обладание холмистой местностью в районе Салла (Куолоярви) обеспечит защиту Мурманской железной дороги, а передача полуострова Рыбачьего создаст надежный форпост для обороны Мурманска с запада. Договор, разумеется, обеспечивал не столь широкую безопасность, которую дало бы подчинение Финляндии правительству Куусинена, но он отвечал минимальным требованиям военной безопасности с точки зрения СССР.

Установить, почему СССР в конечном итоге избрал подобное минимальное решение вместо полного завоевания Финляндии, невозможно. Судя по позиции Сталина на переговорах в 1939 году, он всегда предпочитал узкое урегулирование. Он хотел избежать участия в европейской войне, сохранив за собой возможность извлечь, если удастся, из нее выгоды. Для него навязывание Финляндии правительства Куусинена было второстепенным вариантом, да к тому же этот вариант оказался основанным на неверных предпосылках и, таким образом, стал нецелесообразным. К тому же война вышла из-под контроля. Задуманная как небольшая побочная военная операция, она переросла в крупную кампанию. Советский Союз выделил на ее проведение 1,2 миллиона солдат и офицеров, 1,5 тысячи танков и 3 тысячи самолетов. Неприемлемо большая часть советских вооруженных сил оказалась вовлечена в действия в критический период времени. Война в Западной Европе вот-вот должна была разгореться, и Сталин хотел высвободить советские вооруженные силы — как для использования открывающихся возможностей, так и для защиты против возможных опасностей.

С этой точки зрения согласие русских отказаться от правительства Куусинена 29 января 1940 года представляется разумным. Еще более примечательно то обстоятельство, что последующие военные успехи не ввели Советское правительство в искушение вернуться к более амбициозным планам, но в этом главным фактором, безусловно, явилась растущая угроза военного вмешательства Англии и Франции. Сталин не хотел воевать с этими государствами, если бы мог получить желаемое без войны. Поэтому советское предложение начать переговоры осталось открытым, несмотря на растущие успехи на фронте и колебания финнов.

Советский Союз заплатил высокую цену. Согласно советским данным, советские потери составили 48 тысяч убитыми и 158 тысяч ранеными. Маннергейм считал, что советская сторона, скорее всего, потеряла убитыми 200 тысяч человек. Помимо человеческих жертв русские потеряли также много танков и самолетов. Был нанесен трудно поддающийся оценке урон престижу Красной Армии. К тому же приобретения, закрепленные Московским договором, оказались иллюзорными, тогда как условия договора делали очевидным, что, если Советский Союз когда-либо в будущем попадет в трудное положение, Финляндия не преминет использовать это в своих интересах. Компенсирующих выгод русские не приобрели: ни военная база на Ханко, ни новая государственная граница не принесли русским большой пользы, когда Германия напала на Советский Союз в 1941 году.

Реальным приобретением был военный опыт. Главный военный совет совещался в Кремле три дня — с 14 по 17 апреля 1940 года, анализируя уроки финской войны, и изложил свои выводы и рекомендации о необходимых переменах в приказе № 120 от 16 мая 1940 года. В приказе подчеркивалась необходимость использования пехотой более гибких тактических приемов, улучшения взаимодействия различных родов войск, надлежащей подготовки к ведению военных действий в зимних условиях, и в первую очередь необходимость интенсивной и приближенной к боевым условиям подготовки войск. Красная Армия в июне 1941 года была более эффективной военной силой в результате опыта, приобретенного в финской войне.

Для финнов ситуация, разумеется, была мрачной. С военной точки зрения положение дел было катастрофическим. Новая государственная граница проходила вблизи от важных промышленных и административных центров, она была длиннее и более открытой, чем старая. Нельзя было больше планировать выигрыш времени для проведения мобилизации путем уступки части малоценной территории противнику в пограничных районах. В будущем финляндская армия должна будет удерживать позиции и сражаться на самой границе. Финские войска потеряли 25 тысяч убитыми и 45 тысяч ранеными из армии, общая численность которой не превышала 200 тысяч человек. Кроме того, необходимо было полностью переоснастить ее современным оружием. Можно отметить, что финляндское командование справилось с этой задачей: к июню 1941 года Финляндия имела армию в составе 16 дивизий, гораздо лучше оснащенных, чем в 1939 году, и высокобоеспособных как в обороне, так и в наступлении.

Имелись также серьезные политические и экономические последствия. Финляндия уступила почти десятую часть своей территории, второй по величине город и важный промышленный комплекс на реке Вуоксе. В ходе реконструкции — помимо бремени военной реформы — Финляндии пришлось компенсировать свои утраченные активы и переселить 400 тысяч беженцев, покинувших отошедшую к СССР территорию. Эта сложная задача решалась энергично: военное поражение не подорвало жизнеспособность финского общества.

Политические последствия преодолеть было не так-то просто, ибо Финляндия оказалась политически изолированной. Горький опыт русского военного вторжения усилил убеждение финляндского правительства и населения страны во враждебности СССР; и финны, естественно, стали искать политическую поддержку повсюду, где ее можно было найти. Это привело к роковому военному сотрудничеству с нацистской Германией и новой войне в июне 1941 года.