Заложена 31 декабря 1934 года на заводе № 194 в Ленинграде под стапельным номером 368. 12 (по другим данным 15) февраля 1935 года подводная лодка спущена на воду, 29 ноября 1936 года вступила в строй и 11 декабря 1936 под командованием Корсака Вячеслава Николаевича вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота. В апреле 1936 года подводную лодку предполагалось назвать «Рысь».

    Начало советско-финляндской войны «Щ-320» встретила под командованием капитан-лейтенанта Мартемьянова Тимофея Григорьевича в составе 17-го дивизиона 2-й бригады ПЛ КБФ. Уже в ночь на 29 ноября 1939 года подводная лодка покинула рейд Таллина и направилась к южным подходам к Стокгольмским шхерам к маяку Ландсорт (позиция № 15). По расчетам командования субмарина должна была действовать против шведских кораблей на случай вступления Швеции в войну. Заняв позицию, подводная лодка обнаружила, что днем движение в этом районе практически замирало, а ночью проходящие суда охранялись шведскими миноносцами. Ограничившись разведкой района, командир «Щ-320» вечером 2 декабря доложил, что шведы усиливают охранение района Ландсорт, здесь наблюдается усиленное движение военных кораблей и транспортов. Принимая во внимание, что в таких условиях действовать по призовому праву подводная лодка не могла, 8 декабря командование отозвало «Щ-320» с позиции, и подводная лодка благополучно вернулась в базу.

    9 января 1940 года «Щ-320» вышла в район южнее острова Утё (позиция № 6) для смены «Щ-319». Как и ее предшественнице, «Щ-320» не повезло – все время нахождения на позиции подводной лодке пришлось бороться со штормами и льдом. На субмарине оборвало антенны, а орудия и надстройка представляли собой бесформенные ледяные глыбы. 20 января подводная лодка получила приказ командования возвращаться в базу, но сделать это было не так просто. В Финском заливе «Щ-320» встретила тяжелые льды. Подводной лодке пришлось идти в Либаву, куда она прибыла 23 января. На этом участие подводной лодки в этой кампании завершилось. В декабре 1940 года за развал дисциплины и пьянство командир «Щ-320» Мартемьянов был снят с должности и осужден, а экипаж расформирован.
    Начало Великой Отечественной войны подводная лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта (впоследствии капитана 3 ранга) Вишневского Ивана Макаровича в составе 7-го дивизиона 2-й бригады подводных лодок КБФ в среднем ремонте в доке Таллина. 4 июля субмарина прибыла в Ленинград и с 18 августа находилась в готовности к походу.

    Вечером 20 сентября «Щ-320» вышла на позицию в северную часть Данцигской бухты (позиция № 4), на перекресток сразу нескольких важных коммуникаций противника. Спустя 56 часов после выхода из Кронштадта «Щ-320» завершила форсирование Финского залива. Через три дня подводная лодка вышла в свою первую торпедную атаку. С дистанции 12 кбт «Щ-320» выпустила одну торпеду по транспорту идущему без охранения. Спустя две минуты на подводной лодке услышали глухой взрыв. Чтобы убедиться в успехе командир субмарины через 17 минут после атаки в перископ осмотрел место боя. Был обнаружен второй транспорт в окружении шлюпок и катеров. Противник не комментирует результат этой атаки (55°05' с.ш./ 19°37,5' в.д.). Советская сторона заявляет об уничтожении транспорта «Холланд» (реально на момент гибели «Марианн») в 911 брт, погибшее в этот день на германской мине в районе Кольберга. Во время атаки на подводной лодке отказали предохранители электросети кормовых горизонтальных рулей, носовые рули так же заклинило. Субмарина стала погружаться с дифферентом 45°, был пролит электролит, гирокомпас вышел из меридиана.

    Продолжая поход, подводная лодка еще дважды выходила в атаку (1 и 13 октября) по одиночным транспортам. В обоих случаях взрыва не последовало. Противник и эти атаки оставляет без комментариев. Первый поход «Щ-320» сопровождал инцидент, связанный с нарушением радиосвязи. Переданное с подводной лодки днем 6 октября третье донесение стало первым, которое приняли в штабе флота. По официальным данным, командир БЧ-1-4 лейтенант Трубицын не передал радистам подводной лодки новые радиоданные, и практически на протяжении всего похода «Щ-320» выходила в эфир не на той частоте, на которой ей предписывалось. В результате командование, посчитав «Щ-320» погибшей при форсировании Финского залива на две недели задержало развертывание на позициях других подводных лодок. Принимая во внимание, что такая же история случилась с «Щ-319», вышедшей одновременно с «Щ-320», то можно полагать, что вина в происшедшем лежит на флагманских связистах.

    Утром 25 октября «Щ-320» благополучно вернулась в Кронштадт и сразу же перешла в Ленинград для ремонта.

    Кампанию 1942 года «Щ-320» начала в составе первого эшелона подводных лодок, выходивших на коммуникации противника, так как экипаж субмарины к тому времени считался одним из самых боеготовых в бригаде. Уже в ночь на 14 июня корабль пришел на Лавенсари. На переходе подводная лодка подверглась атаке 3-х самолетов противника, так как в нарушение указаний командования субмарина осуществляла переход в надводном положении. От близких разрывов бомб «Щ-320» получила незначительные повреждения приборов и механизмов. Вырубились предохранители центральной распределительной станции, вышли из строя вертикальный руль и гирокомпас. Для исправления повреждений подводной лодке пришлось некоторое время пролежать на грунте. В этот же день субмарина вышла на позицию в район Меммель – Либава (позиция № 8).

    Днем 16 июня на рейде острова Макилуото восточнее маяка Поркалан-Каллбода подводная лодка обнаружила группу судов противника, стоящих на якоре. Для выхода в атаку «Щ-320» предстояло сложное маневрирование по извилистому фарватеру между камнями. С дистанции 12 кбт подводная лодка выпустила по одному из транспортов две торпеды и через 1,5 минуты услышала взрыв. Подняв перископ, командир «Щ-320» увидел тонущий транспорт. На самом деле одна из выпущенных торпед взорвалась, не дойдя до цели, ударившись о подводные камни, а плавбазе катеров-тральщиков «MRS-12» (бывший пароход «Нюрнберг» в 5.635 брт) повезло дважды, так как 15 июня ее уже атаковала «Щ-304».

    Спустя час противник обнаружил подводную лодку и начал охоту, сбросив 24 глубинных бомбы. Почти трое суток она не могла как следует произвести зарядку батарей, уходя от преследования то самолетов, то катеров. По этой причине субмарина задержалась в Финском заливе на двое суток. Наконец, форсирование Финского залива было завершено и ночью 21 июня «Щ-320» прибыла на позицию.

    Днем 5 июля в районе косы Курише-Нерунг (Куршская коса) «Щ-320» произвела атаку конвоя. Торпеда попала в танкер «Анна Катрин Фритцен» в 677 брт, и он пошел ко дну. Четыре часа германские корабли 3-й флотилии СКР безуспешно сбрасывали глубинные бомбы в месте предполагаемого нахождения «Щ-320». Подводная лодка ушла не получив повреждений.

    Днем 16 июля у мыса Акменрагс «Щ-320» попыталась увеличить счет, выпустив с дистанции 10 кбт две торпеды по германскому судну «Гудрун». Транспорт заметил следы торпед и увернулся. Торпеды взорвались на мелководье, а командир субмарины, осмотревшись в перископ, увидел тонущий транспорт. Противник сбросил на безопасном расстоянии от подводной лодки 8 глубинных бомб.

    17-18 июля «Щ-320» отходила к Готланду для перезарядки торпедных аппаратов и доливки дистиллированной воды в аккумуляторы, а на следующий день вышла на коммуникацию противника Меммель – Брюстерорт. К 20 июля на «Щ-320» начали подходить к концу запасы продовольствия и топлива, и ей пришлось возвращаться в базу. 24 июля подводная лодка приступила к форсированию Финского залива и днем 27 июля самостоятельно вошла на рейд Лавенсари.

    По итогам похода на счет «Щ-320» было засчитано потопление трех транспортов противника (6000 т и два по 8000 т). Весь экипаж подводной лодки был отмечен орденами и медалями. Командир «Щ-320» И.М. Вишневский был представлен к званию Героя Советского Союза (в итоге статус награды был понижен и он награжден только орденом Ленина). 23 октября 1942 года Указом Президиума Верховного Совета СССР подводная лодка «Щ-320» была награждена орденом Красного Знамени.

    О том, что корабль стал краснознаменным ни его командир, ни экипаж так и не узнали. 1 октября 1942 года «Щ-320» вышла на позицию в район к западу от острова Борнхольм (позиция № 1). В дальнейшем на связь она не выходила и в базу не вернулась. Почти 75 лет о субмарине и ее экипаже ничего не было известно, пока в конце апреля 2017 года в ходе проведения поиска в рамках экспедиции «Поклон кораблям Великой Победы» остов субмарины был обнаружен на дне.

    «Щ-320» лежит на глубине 48 м примерно в километре севернее острова Большой Тютерс в точке с координатами 59 52,60’/27 10,80’. Субмарина погибла на пути в район действий, подорвавшись на мине «UMA» заграждения «Зееигель-22» ориентировочно утром 2 октября 1942 года. Подлодка двигалась на запад точно по рекомендованному ей маршруту движения, но при форсировании минного поля «Зееигель» последовательно зацепила носовыми горизонтальными рулями минрепы сразу двух немецких противолодочных мин. Судя по повернутому влево рулю направления, подлодка выполняла маневр уклонения от мины, подцепленной за минреп правым носовым рулем, при этом непроизвольно подтягивая к борту вторую мину, подцепленную левым носовым рулем. В итоге мина, подцепленная по правому борту, коснулась корпуса лодки, но дала осечку. Вторая мина, подцепленная по левому борту, подтянутая движением лодки, взорвалась в районе 1-2 отсеков.

    После подрыва часть экипажа в кормовых отсеках субмарины выжила. Подводники пытались покинуть погибшую лодку, вытолкнув торпеду из правого кормового торпедного аппарата. Но выйдя из аппарата на 3/4 длины, торпеда, вероятно, застряла в аппарате, или у подводников закончились запасы воздуха высокого давления. В результате все эвакуационные пути оказались закрыты, все 40 членов экипажа «Щ-320» погибли.

    Согласно отчету экспедиции:
    «Лодка лежит курсом 210, на ровном киле, практически не утонув в грунте, то есть осмотру доступен весь корпус.
    Корпус лодки полностью цел, кроме места взрыва мины над левым носовым горизонтальным рулем: район взрыва около 2 м в диаметре, полностью разрушены элементы легкого корпуса, прочный корпус имеет вмятину и трещину длиной более метра и шириной до 20 см. В районе кормового аварийного люка прогнила и провалилась часть легкой надстройки, вероятно в результате коррозии.
    Защитные щитки ниш торпедных аппаратов на верхних носовых и кормовых аппаратах отсутствуют. Нижние носовые щитки закрыты. Из левого верхнего носового торпедного аппарата на пол метра торчит торпеда, смещенная вперед взрывной волной мины. Из правого кормового торпедного аппарата на 3/4 длины торчит торпеда, которую пытались вытолкнуть подводники.
    Якорь находится на левом борту и убран в клюз. Оба орудия лодки, 21-К, находятся в походном положении, стволы заткнуты дульными пробками, прицелы сняты. Площадка кормового орудия была круглой с леерным ограждением.
    Стенки легкого ограждения рубки обвалились от коррозии и воздействия рыбацких тралов, остатки которых висят на рубке, опутывая ее со всех сторон. Обломки ограждения мостика лежат на верхней палубе между носовым орудием и рубкой, и частично на грунте справа от рубки.
    На мостике виден нактоуз с закрытой защитной крышкой, колонка управления поворотом руля, репитер гирокомпаса, с закрытой защитной крышкой, машинный телеграф поверхностного хода, ручки которого стоят в положении «стоп».
    Рубочный люк закрыт. Зенитный перископ лодки опущен вниз, командирский перископ выдвинут примерно на метра-полтора из перископной тумбы, и его линза повернута на левый борт. Сам перископ погнут, вероятно, рыбацким тралом. На межперископной балке закреплен репитер гирокомпаса, с закрытой защитной крышкой.
    Винто-рулевая группа лодки полностью доступна для осмотра. Кормовые горизонтальные рули находятся в поднятом на 10-15 градусов положении. Руль направления повернут налево. Носовые горизонтальные рули в положении «ноль».
    На лодке отсутствуют аварийные буи, их места закрыты листами железа. Оба аварийных люка закрыты.
    Рядом с корпусом лодки, на грунте с левого борта напротив кормового аварийного люка лежит якорь от немецкой мины UMA. Вероятно, это якорь той мины, которая взорвалась и привела к гибели лодки. С правого борта лодки, за носовым горизонтальным рулем лежит якорь от немецкой мины UMA. В 20 м позади него, лежит неразорвавшаяся немецкая мина UMA, со смятыми свинцовыми взрывателями. Вероятно, эта та мина, которую лодка пыталась скинуть с себя».