Ennen talvisotaa tehdyt linnoitustyöt liittyvät olennaisesti Vuoksen jokilaakson alueeseen. Etenkin Karjalankannaksen keskiosissa sijaitsevilla alueilla oli suuri merkitys talvisodan puolustusjärjestelmien kannalta. Vesistöjen pirstoman seudun kapeat kannakset ja Vuoksen jokilaakson rannat tarjosivat puolustus-strategisesti tärkeitä paikkoja asemalinjojen rakentamiseen.

Vesistölinjoille rakennettiin Vuoksenlaakson linnoitustöissä hyökkäysvaunuesteitä, piikkilankaesteitä sekä kenttävarustettuja asemia. Talvisodan aikana etummaisten linjojen taakse rakennettiin lisää asemia ja puolustuslinjoja. Talvisodan pääpuolustuslinjana oli niin kutsuttu Mannerheim-linja, joka kulki Vuoksen Laatokan puoleista pohjoisrantaa pitkin Taipaleenjoelta Karjalankannaksen keskiosiin asti, mistä se jatkui kohti Suomenlahtea.

Syksyllä 1939 Neuvostoliiton esittämät vaatimukset alueluovutuksista kiristivät jo ennestään epävakaata tilannetta ja talvisota syttyi 30. marraskuuta. Vaikka neuvostojoukot etenivät Vuoksen eteläpuolisella Kannaksella, Vuoksen puolustuslinjat pitivät. Talvisodan aikaiset pommitukset ja taistelut olivat erittäin rajuja, mutta suomalaisjoukot pystyivät kuitenkin saavuttamaan torjuntavoittoja. Vuoksen vesistölinjojen linnoitusasemat kyettiin säilyttämään strategisesti tärkeissä paikoissa, eivätkä neuvostojoukot päässeet etenemään Taipaleenjoella tai Äyräpään Vuosalmessa kohti sisempää Suomea.

Kannaksen länsiosissa neuvostojoukot etenivät raskaiden taisteluiden saattelemana Viipurin esikaupunkeihin asti. Lopulta sotatoimet päättyivät 13.3.1940 solmittuun Moskovan rauhansopimukseen. Rauhansopimuksen ehtojen velvoittamana Suomi luovutti noin 10 % maa-alueistaan Neuvostoliitolle. Lähes koko Vuoksen jokilaakso siirtyi Neuvostoliiton hallintaan. Uuden rajan vetäminen merkitsi laajoja väestönsiirtoja ja jälleenrakentamista. Rauhansopimuksesta huolimatta jatkosodan uhka oli kuitenkin jo muodostumassa.