Заложена 23 июля 1934 года на заводе № 194 (им. Марти) в Ленинграде под стапельным номером 297. В 1934 году секциями по железной дороге подводная лодка перевезена на завод № 202 (Дальзавод) во Владивостоке, где производилась её сборка. 20 апреля 1935 года «Щ-126» спущена на воду, и 30 октября 1936 года вошла в состав Тихоокеанского флота. Первым командиром субмарины стал Жернаков Владимир Леонидович.

    15 сентября 1939 года при выполнении задач легководолазной подготовки на подводной лодке погибли командир корабля капитан-лейтенант Жернаков и краснофлотец Бакунов Н.К..

    4 сентября 1942 года в походе для дальней разведки Японского моря на «Щ-126» в кормовой группе аккумуляторных батарей произошел взрыв водорода. В результате аварии 38 баков кормовой группы и три носовой получили повреждения, один из членов экипажа был ранен. Командир субмарины капитан-лейтенант Алексеев Евгений Николаевич не стал докладывать о происшествии, и корабль продержался на позиции до приказа о возвращении. 6 октября 1942 года «Щ-126» прибыла в базу.

    9 августа 1945 года лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта Морозова Владимира Андреевича в составе 12-го дивизиона 4-й бригады ПЛ в Находке.

    С началом боевых действий против Японии подводная лодка заняла назначенный район (позиция № 5 на подходах к Владивостоку). 21 августа «Щ-126» в Японском море обнаружила мотобот противника. В 16.15 с дистанции 7 кбт подводная лодка открыла огонь из 45-мм орудия. Судно было потоплено, при этом израсходовано 50 (!) снарядов. Больше лодка встреч с противником подводная лодка не имела и вскоре вернулась в базу.

    10 июня 1949 года субмарина получила обозначение «С-126», а 17 февраля 1956 года исключена из списков ВМФ и сдана на раборку.