En septiembre de 1939, comandó la artillería del Distrito Militar de Bielorrusia durante la invasión soviética de Polonia. Resultó gravemente herido en un accidente automovilístico y dijo que le salvó la vida gracias a una pluma de plata que le dio Dolores Ibárruri en España. En noviembre, inspeccionó las tropas del Distrito Militar de Leningrado, preparándose para la Guerra de Invierno. Durante la guerra, dirigió unidades de artillería, principalmente las del 7.º Ejército, y luchó en la ofensiva contra la Línea Mannerheim. Por sus acciones durante la guerra, recibió una segunda Orden de Lenin y fue ascendido a Komandarm de 2.º Rango (Comandante de Ejército de 2º Rango). Con la restauración por parte del Ejército Rojo de los rangos convencionales de la graduación de oficiales superiores (generales), el 4 de junio de 1940, se le otorgó el rango de Coronel General de artillería . Vóronov dirigió la artillería del Distrito Militar Especial de Kiev durante la Ocupación soviética de Besarabia y el norte de Bucovina