Заложена в присутствии Начальника Военно-Морских Сил Р.А.Муклевича 5 февраля 1930 года на заводе № 189 (Балтийский завод) в Ленинграде под стапельным номером 200. 6 ноября 1931 года подводная лодка спущена на воду и 11 октября 1933 года вступила в строй. 14 октября 1933 года «Щ-302» под командованием Косьмина Дмитрия Михайловича вошла в состав Морских сил Балтийского моря.

    В сентябре 1939 года в составе 14-го дивизиона ПЛ КБФ подводная лодка принимала участие в патрулировании Финского залива. В октябре того же года «Щ-302» встала к стенке завода № 194 (Кронштадский морзавод) для проведения капремонта и модернизации. Работы на субмарине завершились незадолго до начала Великой Отечественной войны.

    22 июня 1941 года лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта Драченова Петра Никитича в составе отдельного учебного дивизиона ПЛ КБФ в Кронштадте где проходила испытания после ремонта, но в строй в 1941 году подводная лодка так и не вступила. В августе 1941 года командиром «Щ-302» назначен капитан-лейтенант Нечкин Вадим Дмитриевич (ранее командовал «М-103»), которому пришлось заново формировать экипаж, так как большая часть прежней команды во главе со своим командиром ушла сражаться с врагом на сухопутный фронт в составе отрядов морской пехоты.

    Вполне исправная, но не боеспособная подводная лодка являлась идеальным объектом для введения новшеств и проведения экспериментов. 13 сентября 1941 года «Щ-302» первой из подводных лодок КБФ прошла безобмоточное размагничивание. 22 сентября 1941 года, когда Кронштадт подвергся массированному налету немецкой авиации, от близких разрывов бомб «Щ-302» получила осколочные повреждения прочного корпуса. В дополнение к этому, 27 сентября у входа в Лесную гавань Ленинграда подводная лодка столкнулась с тральщиком «ТЩ-53», в результате чего на субмарине оказалось разрезано перо кормовых горизонтальных рулей и погнут их баллер.

    В свой первый боевой поход лодка вышла только 10 октября 1942 года в составе третьего эшелона ПЛ КБФ, направляющихся на позиции. В ночь на 11 октября «Щ-302» под эскортом канонерской лодки «Москва» и базовых тральщиков благополучно достигла Лавенсаари. Из-за сильного ветра корабли эскорта и входившая в состав конвоя «Щ-311» укрылись в бухте Ногге-Каппельлахт. «Щ-302», очевидно, не заметив сигналов, продолжила движение. Больше подводную лодку никто не видел. На связь она не выходила. В базу в назначенный срок она так же не вернулась.

    Долгое время считалось, что «Щ-302» погибла, подорвавшись на мине заграждения «Зееигель», «Насхорн» или «Юминда» 11-13 октября 1942 года, пока 5 мая 2019 года остов субмарины не был обнаружен на дне. Подлодка была найдена в районе острова Большой Тютерс в ходе проведения очередного этапа экспедиции «Поклон кораблям Великой Победы». Причиной гибели субмарины 11 октября 1942 года стала мина «UMA» заграждения «Зееигель-22», которая взорвалась в районе II-III отсеков в момент, когда подлодка на перископной глубине следовала в западном направлении. Взрывом были разрушены топливно-балластные цистерны; подлодка получила резкий дифферент на нос и потеряла плавучесть, воткнувшись в грунт под углом около 20 градусов. Осмотр объекта показал, что корпус субмарины лежит на глубине 67 м, причем носовая часть зарыта в ил, а корма возвышается в 4-5 м над грунтом. Возможно, часть экипажа корабля из кормовых отсеков, пережившая взрыв, пыталась покинуть подлодку через шахту подачи воздуха к дизелям, но не смогла сделать это. Вместе с подлодкой погибло 37 членов экипажа.