Головная подводная лодка V-бис-2 серии заложена 6 ноября 1933 года под стапельным номером 249 на заводе № 189 (Балтийский завод) в Ленинграде. 1 августа 1934 года корабль спущен на воду. 4 августа 1935 года субмарина вступила в строй и 17 августа 1935 года вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    К началу советско-финляндской войны «Щ-307» под командованием капитан-лейтенанта И.В. Грачева входила в состав 15-го дивизиона 4-й (учебной) бригады ПЛ КБФ. Подводная лодка только завершила средний ремонт, и ей предстояло пройти докование в Кронштадте. Пока субмарина, ожидая своей очереди, стояла на Кронштадском морском заводе, война для балтийских подводников закончилась; восточную часть Финского залива сковал лед.

    22 июня 1941 года «Щ-307» встретила под командованием капитан-лейтенанта Петрова Николая Ивановича в составе Отдельного учебного дивизиона ПЛ в Ораниенбауме.

    В середине июля субмарина перешла в Таллин, откуда 24 июля 1941 года вышла в свой первый боевой поход. 26 июля «Щ-307» заняла позицию № 20 в районе Либавы. За все время патрулирования района подводная лодка наблюдала лишь сторожевые катера и самолеты ПЛО противника. Успех пришел при возвращении «Щ-307» в базу. Вечером 10 августа в 20 милях западнее маяка Ристна «Треска» обнаружила всплывшую немецкую подводную лодку. Вражеская субмарина находилась на кормовых курсовых углах. Довернув в нужном направлении, «Щ-307» дала двухторпедный залп из кормовых торпедных аппаратов. Обе торпеды нашли свою цель. Фактически это была первая удачная атака балтийских подводников в Великой Отечественной войне. Жертвой торпед «Щ-307» стала германская подводная лодка «U-144», затонувшая со всем экипажем в точке 58°58' с.ш.; 21°24' в.д.

    12 августа 1941 года «Щ-307» вернулась в Таллин, а 28 августа в составе конвоя № 1 (по другим данным в составе Отряда прикрытия) приняла участие в печально известном Таллинском прорыве. Все время перехода субмарина шла в надводном положении, в пути огнем своих 45-мм орудий отбивая атаки вражеской авиации. Благополучно достигнув Кронштадта 29 августа, «Щ-307» доставила в базу четырех (по другим данным, 8) человек спасенных с потопленных судов.

    В декабре 1941 года командиром «Щ-307» назначен капитан-лейтенант (впоследствии капитан 3 ранга) Момот Николай Онуфриевич. Прежний командир «Трески» капитан-лейтенант Петров Н.И. в сентябре 1941 года по абсурдному обвинению в намерении самовольно выйти на своем корабле в район боевых действий был арестован и приговорен к нескольким годам лагерей; он умер от голода в ленинградских «Крестах» во время блокады.

    Благополучно пережив первую блокадную зиму, «Щ-307» из-за затянувшегося среднего ремонта начала кампанию 1942 года только 23 сентября. В группе подводных лодок третьего эшелона «Треска» вышла на позицию в районе острова Хувудшер. Прибыв в район действий, «Щ-307» неоднократно обнаруживала суда противника, но так как они шли прибрежными фарватерами в шведских территориальных водах, лодка от атак отказывалась. После ряда успешных атак подлодок второго эшелона на шведские суда, Швеция заявила СССР протест, и атаки в шведских водах были официально запрещены.

    30 сентября 1942 года позицию «Щ-307» сместили к Аландским островам. Уже 2 октября лодка безрезультатно атакует финский конвой. Хотя командир субмарины заявил об уничтожении двух судов противника водоизмещением в 15 и 7 тыс. тонн, транспорт «Ванда» и минзаг «Руотсинсалми», атакованные «Щ-307», не пострадали. Не получила повреждений и подводная лодка, контратакованная кораблями сил ПЛО, которые сбросили на нее 11 глубинных бомб.

    11 октября «Щ-307» снова атакует, но опять неудачно. Взрыв глубинной бомбы, сброшенной с самолета по воздушному пузырю на лодке посчитали за взрыв торпеды. Финский транспорт «Ориент» и германский «Хидензее» ушли без повреждений.

    Противник не оставил без внимания присутствие советской подводной лодки на своих коммуникациях. 11 октября к целенаправленным поискам «Щ-307» приступила финская субмарина «Ику Турсо» (командир капитан-лейтенант Пекканен). Уже 12 октября финская подводная лодка обнаружила «Щ-307» по шуму дизелей, но счастье вновь улыбнулось «Треске». Она погрузилась, даже не подозревая, что по ней уже вышли в атаку. Потеряв контакт с «Щ-307», «Ику Турсо» встретилась с ней 26 октября. До этого «Треска» сумела отличиться двумя атаками. Первая от 21 октября успеха не принесла – лодку в момент залпа выбросило на поверхность; транспорт, заметив субмарину, сумел уклониться от торпед. Зато 26 октября двухторпедным залпом «Щ-307» отправлен на дно финский транспорт «Бетти Х» (2.477 брт) с грузом серного колчедана для Швеции. На судне погибло 12 человек. Транспорт затонул в точке 59°54' с.ш.; 19°54' в.д. Благополучно уйдя от преследования кораблей эскорта противника, сбросивших на подводную лодку 10 глубинных бомб, которые не нанесли «Щ-307» никакого вреда, вечером 26 октября «Треска» подверглась атаке «Ику Турсо», причем пять часов назад «Щ-307» сама могла атаковать «Ику Турсо» и «Ветехинен», которые командир «Трески» посчитал за шведские и от атаки отказался. Обнаружив советскую подводную лодку, финская субмарина открыла по ней артогонь из 20-мм автомата, сделав 50 выстрелов. Огонь ослепил самих финских комендоров, а «Щ-307» благополучно скрылась в темноте. Около 01.00 27 октября «Ику Турсо» вновь обнаружила «Треску» по шуму дизелей. На этот раз «Щ-307» была атакована двумя торпедами и артогнем. «Треска» вовремя обнаружила противника и, уклонившись от торпед, произвела срочное погружение, финны же посчитали советскую подводную лодку потопленной, указывая в качестве жертвы «Щ-308».

    28 октября 1942 года «Щ-307» начала возвращение на базу, куда прибыла 6 ноября. По результатам похода лодке засчитали потопление одного транспорта и трех малых вспомогательных судна противника.

    В 1943 году лодка в море не выходила.

    24 февраля 1944 года командиром корабля назначен капитан-лейтенант Калинин Михаил Степанович, до этого служивший помощником командира на «Щ-303». В июле 1944 года «Щ-307» совершила один учебный выход в Ладожское озеро.

    С выходом Финляндии из войны и перебазированием подводных лодок КБФ на финские порты и базы их выходы на коммуникации противника возобновились.

    4 октября 1944 года «Щ-307» вышла на позицию в район Виндавы. 16 октября, подойдя к Виндаве, Калинин обнаружил четыре судна противника, стоящих на якоре. Войдя в рейд, «Щ-307» атаковала их четырехторпедным залпом, после чего подводная лодка двое суток подвергалась преследованию противолодочных катеров. К счастью, лодке удалось оторваться от них и уйти. По докладу командира «Щ-307» Калинина в результате этой атаки потоплено 3 транспорта. Командование КБФ утвердило доклад, несмотря на то, что факты, изложенные в нем, уже тогда вызывали сомнения. В послевоенных советских источниках результатом атаки посчитали уничтоженными танкер и транспорт «Хильма Лоу» (2.414 брт), которое было потоплено 13 октября 1944 года подлодкой «Лембит».

    Перезарядив торпедные аппараты, лодка попыталась повторить маневр и прорваться на рейд Либавы, но силы ПЛО противника не дали ей этого сделать, и «Щ-307» снова вернулась к Виндаве. В этом районе лодка еще трижды атаковала конвои противника (29 октября и дважды 3 ноября), причем все три атаки посчитали успешными. В ходе последней атаки «Щ-307» стали жестоко бомбить. От близких разрывов глубинных бомб лодка получила повреждения, кроме того, 5 ноября на ней вышло из строя управление вертикальным рулем. Ночью лодка всплыла. В течение шести часов рулевой старшина 2 статьи Чернышов, трюмный машинист старшина Танин и артиллерист Карев, работая в ледяной воде в легководолазных костюмах, исправили повреждение, и 7 ноября «Щ-307» благополучно вернулась в Турку. По результатам похода командование засчитало в актив «Щ-307» четыре (в некоторых источниках фигурирует цифра «6») транспорта противника. Хотя в трех последних случаях на лодке видели или слышали попадания торпед, в зарубежных источниках подтверждения успешности атак «Щ-307» не находится.

    На сегодняшний день в некоторых источниках признается с некоторой долей сомнения потопление «Щ-307» 3 ноября 1944 года транспорта «Скрунда» (2.141 брт), героя таллинского перехода 1941 года, который немцы якобы сумели поднять и ввести в строй своего флота.

    Следующий выход «Щ-307» состоялся 4 января 1945 года. Из-за сильного шторма на позицию юго-западнее Либавы лодка прибыла только 9 января. В этот же день подводная лодка провела атаку на транспорт, следующий в составе конвоя. По заявлению командира он видел гибель транспорта; сигнальщики сторожевика «V-317» из состава конвоя зафиксировали безрезультатную атаку. (Некоторые советские источники называют жертвой атаки транспорт «Марие Фердинанд» в 1.757 брт, погибший на мине у Либавы в середине января). Сторожевик за два часа сбросил на подводную лодку 70 глубинных бомб, но успеха не добился. 16 января «Щ-307» вновь провела атаку по конвою противника. С подводной лодки наблюдалось, как цель горя погружается в воду, но результат атаки не ясен до сих пор. Долгое время считалось, что торпедное попадание получил транспорт «Генриета Шульце» (1.923 брт), который загорелся и утром следующего дня затонул на мелководье, но по немецким данным это судно 17 января было выброшено штормом на мель у южного мола Мемеля, а в ходе боев за город было расстреляно советской полевой артиллерией. Так же в некоторых источниках жертвой этой атаки «Щ-307» называется транспорт «Штайнбург» (1.319 брт), погибший в районе Либавы на мине 17 января 1945 года.

    17 января во время доливки аккумуляторов на подводной лодке началось интенсивное выделение хлора. Как оказалось, вместо дистиллированной воды на базе лодке выдали загрязненную воду. Лодка была вынуждена вернуться на базу, где простояла до конца войны.

    6 марта 1945 года «Щ-307» награждена Орденом Красного Знамени, а ее командир М.С.Калинин был удостоен звания Героя Советского Союза.

    23 апреля 1948 года «Щ-307» выведена из боевого состава, разоружена и переформирована в плавучую зарядовую станцию «ПЗС-5», а 8 апреля 1957 года исключена из списков плавсредств ВМФ СССР и сдана на слом.

    Рубка «Щ-307» была установлена как памятник у штаба бригады подплава в Лиепае, но после развала СССР и ухода из Прибалтики Российской Армии и Флота в 1994 году она была эвакуирована в Россию и в канун 50-летия Победы установлена у Мемориала на Поклонной горе в Москве.