На всём пути к главной полосе обороны отставание пехоты от танков было систематическим. Танкисты сами под прикрытием своего огня проделывали проходы в надолбах и эскарпах, отыскивали и уничтожали цели и возвращались за пехотой, чтобы вести её вперёд. К 13 декабря части Красной Армии вышли к главной полосе обороны линии Маннергейма. Попытка прорвать её с хода не удалась — из-за плохо поставленной разведки войска не имели представления о характере укреплений. Поэтому с 17 декабря начались атаки танков и пехоты при поддержке артиллерии, стрелявшей по площадям. Сценарий всех атак был примерно одинаков: как только финны открывали пулемётный и миномётный огонь советская пехота, бросая танки, в панике бежала назад. Если же пехоте удавалось занять захваченный танками район, то с наступлением темноты она отступала обратно. Пехотные командиры имели настолько большую неуверенность в своих подчинённых, что пехотные задачи ставили танкистам и требовали их выполнения, угрожая расстрелом. Так, по донесениям командования 40-й танковой бригады, командир полка 24-й стрелковой дивизии приказал танкам нести службу ночного боевого охранения — «охранять пехоту, находясь у надолб противника, а если будете уходить, прикажу забросать вас гранатами». В полосе 138-й стрелковой дивизии в ночь на 23 декабря танки 35-й танковой бригады использовались для защиты штаба дивизии и штабов стрелковых полков от нападения мелких групп противника, поскольку стрелковые части в беспорядке оставили свои позиции. 19 декабря два батальона 20-й танковой бригады прошли две полосы заграждений, «оседлали» укреплённый узел и продвинулись на три километра вглубь, фактически прорвав главную полосу обороны финнов. Когда же танкисты потребовали от пехоты 138-й стрелковой дивизии броска вперёд для занятия дотов, финны открыли миномётный огонь, и пехота в панике отступила. Батальоны 20-й бригады до темноты вели бой в глубине финских позиций, а затем, потеряв 29 танков, отошли.
Другие танковые бригады, выполняя приказы командиров стрелковых соединений, которым они были приданы, все эти дни яростно атаковали финские позиции, неся большие потери. И практически нигде пехота в атаку за танками не шла. Например, 8 декабря был случай, когда после сигнала «в атаку!» машины 40-й танковой бригады двинулись вперёд, а пехота лёжа кричала «ура!», но за танками не шла. Оскорблённый таким поведением пехотинцев командир 112-го танкового батальона запрашивал начальника политотдела 123-й стрелковой дивизии: «Неужели у нас вся пехота такая трусливая?» Мало того что танкисты вели в бой свои танковые части, они часто, выйдя из машин, вели вперёд пехоту. Например, 17 декабря, поднимая в атаку подразделения 123-й стрелковой дивизии, был тяжело ранен командир 35-й танковой бригады полковник Кошуба.
В ходе боёв первого этапа советско-финляндской войны стало очевидным, что без налаживания чёткого взаимодействия танковых и стрелковых частей прорвать линию Маннергейма не удастся. Поэтому в конце декабря танковые бригады отвели в тыл для пополнения и боевой подготовки.
С начала января 1940 года на фронте шла напряжённая боевая учёба. Отрабатывались методы взаимодействия танков с пехотой, артиллерией и сапёрами. Командование танковых бригад посылало в стрелковые части своих лучших бойцов, чтобы рассказать о том, как надо действовать в бою вместе с танками. Пехотинцы привыкали пользоваться боевыми машинами как бронированной стеной, чтобы не оторваться от них в атаке. Ведь многие красноармейцы считали, что на танках сосредоточен весь огонь противника, и поэтому в атаку безопаснее идти на расстоянии от них. На деле оказывалось всё наоборот и финны легко отсекали пехоту от танков.
Благодаря проведённой разведке и налаженному взаимодействию танковых частей с другими родами войск, 11 февраля прорыв главной полосы обороны финнов был осуществлён двумя батальонами 20-й и 35-й легкотанковых бригад и пехотой 123-й стрелковой дивизии. В прорыв была немедленно введена 20-я тяжёлая танковая бригада, с помощью которой прорыв был расширен и углублён. К вечеру 16 февраля центральный участок главной полосы обороны линии Маннергейма был прорван. К 23–25 февраля части Красной Армии подошли ко второй оборонительной полосе финских войск. Не сумев преодолеть её с ходу, войска остановились для перегруппировки сил и подтягивания резервов.