Заложена 31 декабря 1934 года на заводе № 112 (Красное Сормово) в Горьком (ныне Нижний Новгород) под строительным номером 550/6. 10 апреля 1935 года подводная лодка спущена на воду. 3 ноября 1936 года «Щ-322» вступила в строй и на следующий день вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    Начало советско-финляндской войны подводная лодка встретила под командованием старшего лейтенанта Полещук Владимира Антоновича в составе 22-го дивизиона 2-й бригады ПЛ в Таллине.

    Уже вечером 29 ноября 1939 года «Щ-322» вышла в назначенный район южнее Хельсинки (позиция № 2). Нужно отметить, что из пяти позиций, нарезанных в Финском заливе, четыре обслуживали подводные лодки типа «М», и только на подходы к столице Финляндии командование КБФ выделило более крупный корабль. Все светлое время суток «Щ-322» вела патрулирование, и только ночью для зарядки батарей подводная лодка отходила к эстонскому побережью. Утром 2 декабря «Щ-322» прервала поход и вернулась в базу. Отзыв с позиции «Щ-322» связан с визитом в Хельсинки германского парохода «Донау», на котором 5 декабря в Таллин прибыли советский посол в Финляндии и персонал посольства. Опасаясь возможных инцидентов с «Донау», штаб КБФ вернул на базу и «малютки», дежуривших в Финском заливе.

    8 декабря Советский Союз объявил о блокаде побережья Финляндии. (По другим данным объявление блокады произошло днем раньше – 7 декабря). Из пяти позиций подводных лодок в Финском заливе в зоне блокады находились только две: № 4 у Юссаре и № 5 у маяка Бенгтшер. Подводным лодкам, занимающим эти районы, предписывалось вести неограниченную подводную войну. Находящиеся вне зоны блокады субмарины обязаны были действовать по призовому праву. «Щ-322», вышедшей на позицию № 2 8 декабря, границы зоны блокады по вине связистов были переданы с искажениями и включали район действий лодки в блокадную зону. (Ошибка была допущена при передаче радиограммы Военного совета КБФ на имя заместителя командующего КБФ капитана 1 ранга Алафузова из Кронштадта в Таллин). Командир «Щ-322» Полещук, получивший приказ действовать против транспортов любых наций решительно и смело, уже вечером первых суток похода пытался атаковать на подходах к Хельсинки неизвестное судно. Из-за невыгодного курсового угла командир решил уничтожить транспорт артогнем, но так как орудия подводной лодки обмерзли и не были готовы к немедленному действию, атака сорвалась, и судну удалось уйти. В ночь на 9 декабря подводная лодка остановила германский транспорт «Бремен». После того, как судно было опознано, его отпустили. Весь день 9 и ночь 10 декабря в районе действия «Щ-322» стоял густой туман, видимость не превышала 5 кбт. Подводная лодка вынуждена была значительное время пролежать на грунте. Днем 10 декабря туман рассеялся, но ввиду того, что финские маяки не горели, «Щ-322» вынуждена была для определения своего места вернуться к южному берегу Финского залива. Около 22 часов с подводной лодки был замечен транспорт, шедший в западном направлении. Лодка начала сближение. Через 20 минут с «Щ-322» потребовали у транспорта застопорить ход. Судно не ответило, и, по данным советской стороны, прибавило ход. Подозрения подводников в том, что транспорт принадлежит противнику усилились, когда шедшее встречным курсом немецкое судно сделало запрос о пути следования, национальности и названии беглеца, но не получило ответа. Погоня продолжалась более часа. Наконец «Щ-322» обогнала судно, и, развернувшись, выпустила по нему торпеду. Судно быстро затонуло. Спасшихся не было. Спустя неделю эстонские рыбаки обнаружили тела моряков и обломки с германского парохода «Рейнбек» в 2.804 брт, шедшего из Ленинграда в шведский Оскархамн. Советская сторона заявила об уничтожении шведского судна водоизмещением в 10.000 т с грузом финской целлюлозы.

    В ночь на 12 декабря чуть было не повторилась история с «Рейнбеком». Беспечность верхней вахты судна едва не стоила жизни экипажу немецкого парохода «Хельга Бёге» (2.181 брт). В 2.30 «Щ-322» обнаружила неизвестный транспорт. Подводная лодка легла на курс сближения и сигналами потребовала застопорить ход, но не получила ответа. В ответ в 3.50 «Щ-322» выпустила по транспорту торпеду, которая прошла мимо цели. Полещук приказал открыть артиллерийский огонь, но обледеневшие замки орудий не открывались. Их пришлось отпаривать принесенным с камбуза кипятком. Приведя орудия в боеспособное состояние, подводная лодка открыла огонь, успев сделать четыре выстрела. Попадания в транспорт привели в дееспособное состояние вахту. Судно застопорило ход, и после осмотра было отпущено.
    Еще трое суток подводная лодка продолжала оставаться на позиции, а 15 декабря была отозвана в базу.

    В ходе «Зимней войны» подводная лодка в период с 27декабря по 14 января 1940 года совершила еще один боевой выход в район севернее Богшера (позиция № 8), но пребывание здесь оказалось безрезультатным.

    Начало Великой Отечественной войны «Щ-322» встретила под командованием капитана 3 ранга Ермилова Виктора Андреевича в составе 7-го дивизиона 2-й бригады подводных лодок КБФ. Подводная лодка за неделю до начала войны завершила средний ремонт на Кронштадском морском заводе. 22 июня 1941 года «Щ-322» находилась в бухте Локса. Так как в боевой подготовке личного состава был большой перерыв, связанный с ремонтом, на «Щ-322» был объявлен оргпериод. 30 июня «Щ-322» перешла в Таллин.

    В середине июля 1941 года командование КБФ ожидало появление в Финском заливе крупных кораблей противника. Так как субмарин не хватало, командованию пришлось задействовать еще не вполне боеготовую «Щ-322». Днем 13 июля подводная лодка вышла в район северо-восточнее Готланда (позиция № 6). До 31 июля «Щ-322» находилась на позиции, но встреч с кораблями противника не имела. 1 августа командование приказало подводной лодке сменить район патрулирования и сместиться к Либаве. В этот же день «Щ-322» представилась возможность пополнить свой боевой счет. Около 14 часов субмарина обнаружила два транспорта следующих без охраны. Мелководье и неправильное маневрирование помешали лодке произвести торпедный залп. 2 августа «Щ-322» была отозвана в базу и на следующий день бросила якорь в Триги. На переходе в устье Соэлавяйна сопровождавший лодку тральщик «БТЩ-212» подорвался на мине и затонул.

    За полторы недели нахождения подводной лодки в Триги «Щ-322» неоднократно подвергалась налетам авиации противника. Немцы быстро пришли к пониманию значения маневренной базы флота, поэтому якорная стоянка стала ежедневной зоной действия германских бомбардировщиков и штурмовиков, а мелководные фарватеры минировались. Погружением или маневрированием подводная лодка уходила из-под атак немецких самолетов. 13 августа «Щ-322» перешла в Таллин, откуда в составе отряда прикрытия 28-30 августа вместе с флотом произвела печально известный прорыв в Кронштадт.

    В ходе сентябрьских налетов немецкой авиации на Кронштадт подводная лодка получила незначительные повреждения корпуса. (22 сентября – 20 осколочных пробоин в легком корпусе и ограждении рубки и вмятину в прочном корпусе, 26 сентября – пробит прочный корпус в районе IV отсека). После ремонта на Морском заводе в Кронштадте «Щ-322» была готова к походу.

    Вечером 11 октября перешла к острову Гогланд, откуда ей предстояло идти в устье Финского залива в район мыса Овизи (позиция № 6). Вместе с «Щ-322» на позиции направлялись «С-8» и «Щ-323». Подводные лодки шли под охраной шести сторожевых катеров за тралами пяти тральщиков, которые должны были провести субмарины через минное поле в районе мыса Юминда. При построении в походный ордер «Щ-322» врезалась в борт катера «МО-310». (По другим данным столкновение произошло в пути, когда тральщики подсекли две мины, и походный ордер нарушился). Вероятно, подводная лодка получила незначительные повреждения, но продолжила движение. (Катер сумел вернуться в бухту Суркюлля, где вскоре затонул в результате поступления воды внутрь корпуса). Вскоре выяснилось, что 12-узловой ход конвоя велик для «Щ-322». Караван снизил скорость до 11 узлов, но подводная лодка продолжала отставать. Достигнув меридиана острова Кери, эскорт предоставил возможность подводным лодкам продолжать движение самостоятельно. Тральщики и сторожевые катера развернулись и легли на обратный курс. Вскоре они встретили «Щ-322», идущую несколько севернее протраленного фарватера. Они были последние, кто видел «Щ-322». В дальнейшем подлодка на связь не выходила, хотя уже утром 13 октября ей был отдан приказ об атаке кораблей противника у побережья острова Хийумаа, но подтверждения от субмарины о получении радиограммы командование так и не получило. Не донесла «Щ-322» и о прохождении меридиана 21°.

    Долгое время считалось, что подлодка погибла вскоре после своей последней встречи с кораблями сопровождения в ночь на 12 октября, так как тральщики и сторожевые катера вскоре услышали за кормой сильный взрыв, но в июне 2012 года отделом гидрографических наблюдений Эстонии было объявлено, что «Щ-322» найдена в ходе работ проводимых поисковой группой Морского музея Эстонии на глубине 96 м в районе северо-западнее Палдиски.

    Вероятно, «Щ-322» погибла на мине германского заграждения «Корбетта», выставленного немцами 22 июня 1941 года. Вместе с подлодкой в море навсегда остались 37 моряков.