Заложена под стапельным номером 110 на заводе № 196 в Ленинграде 5 февраля 1938 года. 28 апреля 1939 года подводная лодка спущена на воду, 25 сентября 1940 года под командованием капитана 3 ранга Потапова Леонида Степановича вступила в строй и вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    24 мая 1941 года «К-23» в составе ЭОН-11 начала переход с Балтики на Северный флот по Беломоро-Балтийскому каналу; начало Великой Отечественной войны подводная лодка встретила в пути из Повенца в Беломорск, куда прибыла 24 июня. В этот же день корабль вошел в состав Северного флота и зачислен в учебную бригаду ПЛ Беломорской военной флотилии. 12 июля 1941 года «К-23» под эскортом тральщиков «Т-892» и «Т-893» завершила переход в Архангельск. После проведения курса боевой подготовки в Белом море субмарина перешла в Полярное и 30 сентября 1941 года вошла в состав 1-го дивизиона ПЛ СФ.

    Вечером 24 октября «К-23» вышла в море с задачей постановки мин в районе Киркенеса (позиция № 5-а, обеспечивающий командир 1-го дивизиона ПЛ СФ капитан 2 ранга М.И.Гаджиев), но уже на следующий день попала в сильный шторм, который не позволил подводной лодке выполнить поставленную задачу; ударами волн на субмарине были порваны радиоантенны, сошли со штырей платформы 100-мм орудий, залиты водой оба перископа. «К-23» была вынуждена вернуться в губу Оленья, откуда после устранения повреждений вечером 27 октября она снова попыталась выйти в море, но уже через час из-за тумана была вынуждена вернуться.

    Произвести минную постановку удалось только с третьей попытки. Днем 29 октября «К-23» установила минное заграждение № 17 (четыре банки, всего 20 мин) перед входом в Кье и Бёк фьорды, ведущие в Киркенес. Выполнив задачу, подводная лодка благополучно вернулась в базу. Несмотря на сложные навигационные условия, постановка мин, по оценке командования Северного флота, была выполнена образцово. Немцы не подозревали о наличии советских мин в этом районе, 5 ноября на входе в Бёк-фьорд на них подорвался и получил тяжелые повреждения германский тральщик «М-22», 10 членов его экипажа были ранены. Корабль остался на плаву, и вскоре введен в строй, но после его подрыва немецкие тральщики из состава 3-й флотилии 5 – 8 ноября вытралили в этом районе еще 6 мин. Указанный в некоторых источниках в качестве жертвы мин данного заграждения германский транспорт «Флотбек» (1930 брт) погиб 9 ноября 1941 года в границах заграждения № 18 на минах ПЛ «К-1».

    В следующий боевой поход с задачей установки минных заграждений в районе острова Лоппа и действий в Лоппском море (позиция № 2) «К-23» вышла 16 ноября 1941 года. На переходе в район действий подводной лодке пришлось уклоняться от (вероятно, ложной) атаки вражеской субмарины. Вечером – ночью 19 и утром – днем 20 ноября «К-23» выставила 4 банки мин (заграждения № 23 у входа в Нордс-Бергс-фьорд, № 24 северо-западнее острова Силен, № 25 южнее острова Лоппа, № 26 севернее острова Брюнилен), после чего перешла к действиям в торпедном варианте.

    Проникнув в шхерный район, подводная лодка после ряда встреч с норвежскими мотоботами, которые она не атаковала из-за малой ценности объекта, в утренние часы 26 ноября обнаружила огни рыболовного траулера «Старт», который был принят за 700-тонный транспорт. После объявления артиллерийской тревоги «К-23» с дистанции 16 кбт открыла огонь, за 6 минут израсходовав 15 100-мм снарядов. Как только возле «Старта» начали рваться снаряды, на судне возникла паника. Часть экипажа и пассажиров-немцев предпочла покинуть судно в единственной шлюпке; сохранившие присутствие духа оставшиеся на борту просто выключили ходовые огни, после чего судно благополучно ушло от преследования, растворилось в темноте. После того как огни пропали, подлодка прекратила артобстрел, считая цель уничтоженной.

    Продолжая действовать в шхерном районе, «К-23», спустя несколько часов после атаки «Старта» идя в подводном положении, ударилась о скалу, в результате чего было погнуто ограждение и перо вертикального руля, а оставшееся время патрулирования провела в борьбе со штормом. От ударов стихии на «К-23» оказались залитыми шахты перископов, вышел из строя электродвигатель компрессора и зенитный перископ, сошли со штырей платформы 100-мм орудий. Незадолго перед возвращением в базу, утром 6 декабря, несмотря на то, что по данным противника мины «К-23» были уже вытралены (28-30 ноября 1941 года в Нордс-Бергс-фьорде и 13 февраля 1942 года у острова Лоппа), с борта подлодки в направлении минной банки заграждения № 24 у острова Силен наблюдался взрыв. Упоминаемый в ряде источников как погибший на мине «К-23» норвежский пароход «Бирк» (1920 г., 3664 брт) был снесен на плавающую мину 15 (или 18) февраля 1942 г. на стоянке в Бёк-фьорде у Киркенеса и не может расцениваться в качестве такого, а заявленный как минный успех военный транспорт «Осло» (1994 брт, бывший норвежский пароход «Конг Ринг»), затонувший вместе с 257 немецкими военнослужащими 29 членами экипажа, скорее всего погиб на заграждении ПЛ «К-1». Вечером 6 декабря получившая штормовые повреждения подводная лодка начала возвращение в базу, и днем 12 декабря была встречена в Полярном.

    Следующий боевой поход «К-23» проходил под опекой начальника Отдела подводного плавания Штаба СФ капитана 2 ранга В.П. Карпунина. Вечером 3 января 1942 года подводная лодка вышла для действий в районе позиции № 3 у мыса Нордкап. Днем 6 января «К-23» приступила к минной постановке (заграждение № 35) в глубине Порсангер-фьорда, которую после выхода 11 мины пришлось прервать из-за неисправности минно-сбрасывающего устройства левого борта. С правого борта все десять мин вышли полностью, но с левого вторая мина сошла с рельсов, развернулась по оси, а при попытке подать ее к люку был оборван трос подающей тележки. Командир субмарины принял решение не уходить из района, а провести ремонт на месте. Весь день подводная лодка маневрировала в глубине фьорда в подводном положении, а с наступлением темноты всплыла и подошла к берегу. Вскрыв минно-балластную цистерну, старшина 2 статьи С.Ф.Низовцев и старший краснофлотец А.Г.Пименов проникли в нее и принялись за ремонт. Люди рисковали жизнью, так как «К-23» стояла под вражеским берегом, и в случае обнаружения противником была бы вынуждена погрузиться, не оставляя им шансов на спасение. Пять часов субмарина стояла в тени скалы у берега. С подлодки наблюдали движение автотранспорта на противоположном берегу фьорда; однажды луч прожектора наблюдательного поста противника скользнул по корпусу подлодки, но, к счастью, она оказалась незамеченной. После завершения ремонта минная постановка была продолжена, но после выхода семи мин ремонтные работы пришлось возобновить. Две оставшиеся мины были выставлены только в ранние часы 7 января. К сожалению, все усилия подводников оказались напрасными; заграждение было выставлено в стороне от судоходного фарватера, данных противника об его обнаружении и потерях на нем нет.

    Подлодка не стала покидать Порсангер-фьорд, ее дальнейшие действия проходили у Хонингсвога. Вечером 8 января «К-23» предприняла попытку атаковать одиночное судно, но по вине старшины торпедистов, который перепутал значение ревунов, выпустила торпеду по команде «Приготовиться к атаке». Транспорт тем временем ушел.

    Утром 9 января подлодка остановила норвежский мотобот «Амбергет». После осмотра судна и опроса шкипера об организации местного судоходства оно было отпущено, в качестве трофея с него лишь сняли норвежский флаг.

    Днем 14 января «К-23» обнаружила, по оценке командира, конвой в составе двух транспортов под охраной миноносца. Осуществлявшая контрольное траление группа тральщиков обнаружила перископ субмарины, после чего «М-1501» сорвал атаку, сбросом 5 глубинных бомб отогнав подлодку.

    Наконец, днем 19 января на кормовых курсовых углах «К-23» обнаружила транспорт. Подводная лодка развернулась и начала догонять цель, следуя в надводном положении. Заметив преследование, капитан судна попытался укрыться в бухте Сверхольтклуббен, но «К-23» прямой наводкой открыла артиллерийский огонь, ведя его из двух 100-мм орудий, за 8 минут израсходовав 31 снаряд. С третьего залпа снаряды стали ложиться по цели, 23 из них попали в транспорт; он загорелся и начал погружаться кормой в воду. «К-23» прекратила огонь, и чтобы ускорить гибель судна выпустила по транспорту две торпеды. Она из них прошла под носовой частью судна, другая – отвернула влево и прошла в 100 м за его кормой. Впрочем, пароходу «Серей» (505 брт) этого было достаточно; объятый пламенем, он вскоре затонул. Двое из находившихся на его борту погибли, еще несколько человек получили осколочные ранения. В ночь на 22 января «К-23» начала возвращение в базу, и днем 23-го благополучно прибыла в Полярное.

    Следующий боевой поход «К-23», который длился с 28 февраля по 26 марта 1942 года, подлодка провела, в основном в районе Конгс-фьорда (позиция № 4-а). С 8 по 13 марта она привлекалась для прикрытия союзного конвоя «PQ-12» (позиция «А»). За все время пребывания на позиции подводная лодка не обнаружила ни одного вражеского судна, что по оценке командования объяснялось штормовыми погодами, плохой видимостью и недостаточной активностью командира, действовавшего непосредственно у вражеского побережья весьма ограниченное время.

    В свой последний боевой поход «К-23» вышла утром 28 апреля 1942 года. Старшим на борту корабля в море вышел командир дивизиона ПЛ капитан 2 ранга М.И.Гаджиев. Подлодка должна была действовать в 90 милях севернее от острова Фуглё, но 5 мая ей было приказано перейти на позицию № 4 в районе мыс Нордкин – мыс Нордкап, с задачей поиска подводной лодки «Щ-401» и несения позиционной службы в районе Оксе-фьрда. Утром 12 мая согласно советской официальной версии «К-23» обнаружила вражеский конвой в составе одного транспорта и двух сторожевых кораблей, шедший курсом ост. Подводная лодка атаковала и потопила торпедами транспорт, но подверглась атаке глубинными бомбами сторожевых кораблей. В результате атаки у лодки были повреждены бортовые цистерны с топливом, и она все время обнаруживала свое место выходившим на поверхность моря соляром. В связи с этим на «К-23» было принято решение всплыть и отразить атаку сторожевых кораблей артиллерией. В результате артиллерийского боя два сторожевых корабля были потоплены. В 12.00 командир 1-го дивизиона подводных лодок, бывший на подводной лодке «К-23» в качестве обеспечивающего донес по радио командующему Северным флотом, что в квадрате 8114 были уничтожены торпедами транспорт и два сторожевых корабля – артиллерией. Лодка «К-23» имела повреждения от стрельбы и нуждалась в помощи. В 14.00 подводной лодке было приказано возвратиться в Полярное. В 15.50, по данным радиоразведки, самолет противника обстрелял нашу подводную лодку, которая погрузилась, и просил Киркенес выслать еще один самолет, а сам продолжал вести наблюдение. В 17.12 один «Ю-88» вылетел из Киркенеса, в 23.00, в связи с данными авиаразведки, подводной лодке «К-23» дано было приказание донести, нуждается ли она в эскортировании. Ответа не последовало. Как можно предполагать, попаданиями вражеских снарядов на подводной лодке был выведен из строя один из главных дизелей. В 15.50 «К-23» на отходе от места боя подверглась обстрелу самолета противника, погрузилась и погибла.

    По данным противника в 09.22 (время берлинское) 12 мая в районе мыса Нордкин подводной лодкой с дальней дистанции был атакован конвой в составе транспортов «Карл Леонхардт» (6115 брт) и «Эмсланд» (5189 брт) под охраной сторожевиков «V-6106», «V-6107» «V-6108» и охотников «Uj-1101», «Uj-1109» и «Uj-1110». До транспортов торпеды не дошли, а одна затонула в 10 м от борта охотника «Uj-1110». Суда продолжили свой путь, а охотники отделились от конвоя для поиска подводной лодки. Вскоре корабли обнаружили вторую торпеду, которая вертикально плавала в воде без боевой части. Было решено подобрать ее, для чего один из охотников застопорил ход и спустил шлюпку. Пока торпеду поднимали из воды, в 10.14 в 39 кбт от охотника «Uj-1109» («Uj-1101» и «Uj-1110» находились значительно дальше, в 70 – 76 кбт) всплыла подлодка, которая легла на курс отхода и сразу открыла артиллерийский огонь. Немцы ответили, при этом дистанция до цели увеличивалась, поэтому «Uj-1101» и «Uj-1110» вскоре прекратили стрельбу, израсходовав 78 и 44 88-мм снарядов соответственно. Огонь продолжал вести только «Uj-1109». Спустя семь минут с него было отмечено попадание в подлодку, но это никак не отразилось ни на ее скорости, ни на темпе ведения огня. Тем временем немцы вызвали авиацию. Охотники продолжали преследование до 11.51, пока субмарина не скрылась за пределами видимости.

    В 13.09 бомбардировщик «Ju-88» из состава 30-й бомбардировочной эскадры (KG 30) обнаружил подлодку и в два захода сбросил на нее четыре 250-кг бомбы. Две из них взорвались вблизи корабля; субмарина опоздала со срочным погружением:. После этого за подводной лодкой потянулся предательский маслянистый след, по которому шла группа охотников. Авиация не давала субмарине всплыть чтобы уйти от преследования, дважды загоняя ее под воду. В 13.45 подлетевший второй самолет отбомбился по голове следа, а к 16.30 к месту боя подошла противолодочная группа. Охотники в строю уступа провели ковровое бомбометание, сбросив 63 глубинные бомбы, после чего наблюдали движущийся воздушный пузырь. В него «Uj-1109» в 16.42 сбросил 9 глубинных бомб, которые поставили точку; на поверхности воды появились пятна соляра, куски пробковой изоляции и бумаги с текстом на русском языке. Вместе с «К-23» погиб 71 человек.