Заложена 27 декабря 1936 года под стапельным номером 453 на заводе № 194 в Ленинграде и 31 июля 1938 года спущена на воду. 27 ноября 1940 года «К-3» под командованием капитана 3 ранга Корсака Вячеслава Николаевича вступила в строй и 19 декабря 1940 года вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    22 июня 1941 года подводная лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта (впоследствии капитана 3 ранга) Малафеева Кузьмы Ивановича (командир «К-3» с мая 1941 года) в составе Учебной бригады подводных лодок Краснознаменного Балтийского флота. Корабль готовился в Кронштадте к переходу на Северный флот в составе ЭОН-11. Перед постановкой в транспортный док с подводной лодки был выгружен ряд приборов и механизмов, но начало войны заставило спешно вводить корабль в строй; субмарина была временно передана в оперативное подчинение командира 1-й бригады ПЛ КБФ.

    26 июля «К-3» вышла из Таллина в Триги, откуда на следующий день отправилась в район западнее от острова Борнхольм с задачей разведки и постановки мин. 1 августа на линии Треллеборг – Засниц подводная лодка произвела минную постановку, однако по прибытии в Таллин выяснилось, что мины из-за неисправности минно-сбрасывающего устройства выставлены не были. (По другим данным, то, что люки минного устройства не открываются, экипаж субмарины узнал еще в ходе минной постановки). Уже при возвращении ночью 6 августа «К-3» чуть не стала жертвой атаки немецкой подводной лодки «U-142». К счастью, единственная торпеда выпущенная «челноком» не попала в цель. Прибыв в Таллин, подводная лодка перешла в Кронштадт, где корабль в составе ЭОН-15 начали экстренно готовить для перевода по Беломоро-Балтийскому каналу на Северный флот. Уже 21 августа подводная лодка начала переход вверх по Неве, и 9 сентября прибыла в Беломорск. (К этому времени немцы вышли к берегам Невы, замкнув блокаду Ленинграда). 17 сентября «К-3» официально включена в состав Северного флота (с 12 сентября в составе Учебной бригады, 11 ноября перечислена в 1-й дивизион бригады ПЛ). Во второй половине сентября «К-3» прошла на заводе № 404 в Молотовске (Северодвинске) восстановительный ремонт, октябрь ушел на завершение курса боевой подготовки, в ходе которого субмарина 27 октября без особых для себя последствий села на мель в Белом море. 9 ноября подводная лодка прибыла в Полярное, откуда начала выходы на коммуникации противника.

    Первое же патрулирование «К-3» на Севере было ознаменовано громким успехом. С утра 23 ноября подводная лодка действовала в пределах позиции № 2-а в районе Хаммерфеста. Действия командира субмарины на новом театре обеспечивал командир 1-го дивизиона ПЛ капитан 2 ранга М.И. Гаджиев. Вечером 23 ноября «К-3» выставила две банки мин в проливе Магерё-сунд (заграждение № 28) и в Мосе-фьорде (заграждение № 27), после чего стала действовать в торпедном варианте. (Мины частично вытралены противником 30 ноября – 4 декабря 1941 и 4 февраля 1942 года. На одной из пропущенной тральщиками мин заграждения № 28 днем 30 января 1942 года подорвался и затонул норвежский каботажник «Ингё», 327 брт, погибло 16 человек).

    Днем 3 декабря на выходе из пролива Бустад-сунд «К-3» выпустила 4 торпеды по транспорту «Альткирх» под охраной охотников «Uj-1403», «Uj-1416» и «Uj-1708». После залпа подлодка не удержалась на глубине и показала над водой рубку. Сторожевики обнаружили атаковавшую субмарину и ответили глубинными бомбами. При уклонении от них «К-3» три раза сильно ударилась о грунт, а, учитывая точность бомбометания (всего было сброшена порядка полусотни бомб), комдив и командир субмарины предположили, что местоположение подлодки выдают пятна соляра, вытекшего из поврежденных в результате ударов о дно топливных цистерн. Было принято решение всплыть, и уйти от преследующих подводную лодку кораблей противника пользуясь преимуществом надводного хода.

    Оказавшись на поверхности «К-3» с дистанции 20-30 кбт открыла артиллерийский огонь по сторожевикам. С пятого залпа снаряд с подводной лодки угодил в корму охотника «Uj-1708», разметав его на куски. Получив 2 попадания «Uj-1416» тоже вышел из боя, его 20-мм зенитки не могли конкурировать с «сотками» «катюши». Третий сторожевик, «Uj-1403», вооруженный 88-мм орудием имел неполадки машине и находился рядом с охраняемым судном в стороне от места боя; ему оставалось лишь послать 60 снарядов вдогонку уходящей субмарине.

    За 17 минут артиллерийского боя подводная лодка израсходовала 39-100 мм и 47-45 мм снарядов. Ответным огнем противника «К-3» нанесены легкие повреждения корпуса. Так как из поврежденных цистерн продолжал сочиться соляр, подводная лодка вечером 5 декабря получила разрешение досрочно вернуться в базу.

    Пройдя аварийный ремонт на заводе в Росте, «К-3» 19 января 1942 года вступила в строй.

    Второй боевой поход на новом театре, по сравнению с первым, прошел более чем скромно. Противник встречен не был. С 26 января подводная лодка находилась в пределах позиции № 1 в районе Вест-фьорда, но первые 12 суток патрулирования была вынуждена штормовать в районе зарядки аккумуляторных батарей. Ударами волн на подлодке оборвало радиоантенну, разошелся шов топливной цистерны № 1 и соляр попал в аккумуляторную яму второго отсека, вышел из строя командирский перископ. Утром 9 февраля в результате попадания воды через шахту подачи воздуха к дизелям возникло короткое замыкание и пожар в пятом отсеке; обгорели кабели вспомогательных механизмов, пострадала подстанция. Днем 17 февраля «К-3» вернулась в базу, где практически сразу встала в ремонт.

    Мартовский поход в устье Порсангер-фьорда (позиция № 3) чуть не стал для «катюши» последним. Утром 18 марта при попытке выйти в атаку на вражеский конвой, подводная лодка не удержалась на глубине и была обнаружена кораблями охранения. Сторожевик «Целле» сбросил в месте обнаружения подлодки глубинные бомбы, а погрузившаяся на глубину 55-65 м субмарина тем временем пыталась уйти мористее, пока над ней не взорвалась противолодочная мина. К счастью, взрыв произошел достаточно далеко над кораблем, но все равно, нанесенные взрывом повреждения были ощутимы: вышли из строя оба перископа, шумопеленгатор и практически все оборудование боевой рубки, лопнула главная осушительная магистраль, через которую в трюм центрального поста начала поступать вода. При таком состоянии корабля держать лодку на позиции не имело смысла, и на следующий день «К-3» направилась в базу.

    После проведения аварийного ремонта субмарина во второй декаде апреля патрулировала район в 130 милях северо-западнее мыса Нордкап (позиция № 11-б) с задачей прикрытия союзных конвоев «QP-10» и «PQ-14», но противника не встретила. Действия подводной лодки сильно затруднялись плохим состоянием аккумуляторной батареи, которая выработала ресурс, поэтому большую часть времени субмарина находилась в надводном положении.

    Вернувшись в базу, «К-3» на полгода встала на прикол; сменная батарея отсутствовала, а заказанная в Англии еще не поступила. В итоге, на подводную лодку была установлена батарея, снятая с практически достроенной балтийской «К-53». (К тому времени на Северном флоте в замене аккумуляторов нуждались три «катюши», две «эски», «Д-3», и «малютка»). Пока подлодка стояла у стенки на ней смонтировали гидроакустическую станцию «ASDIC-129» (в советской версии «Дракон-129»). 17 октября «К-3» вступила в строй.

    Ноябрьское патрулирование севернее Хаммерфеста (позиция № 2-а) ничего, кроме штормовых повреждений, полученных подводной лодкой 19 ноября, не дало; встреч с кораблями противника не было.

    Не состоялся и перехват подводной лодкой отступавших в базы после «Новогоднего боя» группы немецких кораблей во главе с тяжелыми крейсерами «Хиппер» и «Лютцов». Подводная лодка прибыла в назначенный район севернее мыса Нордкап (позиция № 16), в то время, когда немецкие корабли пытавшиеся уничтожить суда союзного конвоя «JW-51-B» (кроме погибшего в ходе операции эсминца «Z-16») уже вернулись в базы. Бесцельно пробыв на позиции всю первую неделю нового, 1943 года «К-3» днем 7 января 1943 года благополучно прибыла в Полярное.

    В связи с появлением на флоте ленд-лизовских гидролокаторов «ASDIC» у командования созрел план группового использования подводных лодок в составе тактических групп. Субмарины должны были совместно патрулировать один большой район, координируя свои действия с помощью звукопроводной связи гидролокаторов. В конце января 1943 года на Кильдинском плесе с участием «К-3» и «К-22» были проведены учения по отработке элементов совместных действий подводных лодок. После этого было решено опробовать новый метод в боевых условиях.

    Днем 3 февраля «К-3» и «К-22» вышли для группового патрулирования района Вардё – мыс Нордкин (позиции № 4 и № 5). Об интересе командования к новому методу говорит то, что на «К-3» поднял флаг командир бригады ПЛ СФ контр-адмирал Н.И. Виноградов. Совместный поход подводных лодок обеспечивали так же замполит бригады ПЛ капитан 2 ранга Р.В. Радун, командир 1-го дивизиона ПЛ капитан 1 ранга В.Н. Котельников, дивизионный связист капитан-лейтенант В.А. Гусев (все на борту «К-22»), флагманский штурман бригады капитан-лейтенант М.М. Семенов (на борту «К-3»). Присутствовала и пресса в лице фотокорреспондента Н.Ф. Веринчука (на борту «К-3»).

    В течение 4 – 5 февраля подводные лодки вели совместный поиск от мыса Хабракен до устья Конгс-форда. Днем подлодки поддерживали связь с помощью звукопроводной связи «Драконов», ночью, идя в надводном положении – световыми сигналами. На исходе 5 февраля у мыса Кьельнес в Конгс-форде «К-3» обнаружила конвой из двух крупных транспортов идущих без охранения, на деле оказавшимися сторожевиками «Uj-1101» и «Uj-1108». В момент выхода в атаку «К-22» выкатилась влево и быстро исчезла в темноте, подводные лодки потеряли друг друга. «К-3» выпустила четыре торпеды по одному из «транспортов», и через две минуты с подводной лодки наблюдали попадание и гибель цели. Ту же картину наблюдали с «К-22» но на второй подлодке отказалась от пуска торпед, опасаясь попасть в «К-3» (в свою очередь, одна из выпущенных «К-3» торпед пошла по поверхности, и, уклонившись влево, чуть было не попала в «К-22»). Первая совместная атака советских подводных лодок не удалась, зато индивидуальные действия «К-3» стали успешными. Торпеды подводной лодки потопили охотник «Uj-1108», вместе с кораблем погибло 25 моряков. Второму охотнику осталось лишь отогнать подлодку артогнем, когда та разворачивалась, чтобы разрядить по нему торпедные аппараты. «Катюша» погрузилась и покинула место боя.

    К утру 6 февраля «К-3» отошла в район зарядки в районе мыса Хабракен. Здесь же находилась точка рандеву с «К-22», обусловленная на случай, если подлодки потеряют друг друга. Вместо встречи с «двадцать второй» «К-3» была обнаружена, по оценке командира субмарины, группой сторожевиков (в реальности минный заградитель «Бруммер» под охраной эсминцев «Z-6» и «Z-31») от которых пришлось уклоняться срочным погружением. Немцы не стали настойчиво преследовать подводную лодку, ограничившись сбросом 7 глубинных бомб. К вечеру встреча «катюш» состоялась, и субмарины продолжили совместное патрулирование. До вечера 7 февраля подлодки обменивались сообщениями по звукопроводной связи, ведя поиск в районе мыс Слетнес – мыс Харбакен. Около 19.00 акустик «К-3» доложил, что слышал четыре отдаленных слабых щелчка, после чего связь с «К-22» прервалась окончательно; подлодки снова потеряли друг друга.

    В дальнейшем «К-3» действовала самостоятельно. Днем 12 февраля у мыса Сейбунес «К-3» перехватила большой восточный конвой, который, в результате атаки субмарины недосчитался транспорта «Фёхенхайм» в 8116 брт. (Судно выбросилось на отмель в Бос-фьорде, через месяц снято с камней и отбуксировано в Германию, но в строй так и не введено). В ответ корабли эскорта конвоя сбросили на «К-3» порядка полусотни глубинных бомб; получившая ряд повреждений (подорвано несколько забортных клапанов, начали пропускать воду сальники, повреждено освещение, появились трещины в сварных швах балластных цистерн) подводная лодка вечером получила «добро» вернуться в базу, и днем 14 февраля прибыла в Полярное.

    В свой последний боевой поход «К-3» вышла в ночь на 14 марта 1943 года. Подводной лодке предстояло действовать в районе Просангер-фьорда (позиция № 3). В дальнейшем на связь она не выходила и в назначенное время в базу не вернулась. 14 апреля истек срок автономности субмарины.

    По немецким данным утром 17 марта в квадрате АС 7358 безуспешной атаке подводной лодки подвергся конвой, включавший в себя суда «Ротерсанд», «Поллюкс», «Буг», «Долларт», «Вийемсхафен» и «Хундип». Корабли эскорта наблюдали следы пяти торпед и контратаковали подлодку, сбросив несколько глубинных бомб. Через четыре дня, вечером 21 марта западнее района первой атаки (квадрат АС 7359) безуспешной атаке подводной лодки подвергся конвой в составе транспортов «Германн Фрицен», «Вейссезее» и «Эдна» под эскортом охотников 11-й флотилии «Uj-1102», «Uj-1106» и «Uj-1111». Сторожевые корабли контратаковали субмарину, сбросив 100 глубинных бомб. В результате в точке 71°12,2' с.ш./27°40, 6' в.д. они наблюдали признаки гибели субмарины – масляное пятно, пузыри воздуха, деревянные обломки. Большинство источников как причину гибели «К-3» называют эту контратаку, но утром 28 марта в точке 71°03' с.ш./27°07' в.д. (квадрат АС 7373) германский конвой наблюдал след трех торпед, а затем сторожевики «V-5903» и «V-6103» произвели сковывающее бомбометание серией из 19 глубинных бомб. Если германские сторожевики не бомбили ложную цель, то «К-3» погибла на одной из мин заграждений «Урсула» или «NW-10» в районе Порсангер-фьорда. На ее борту было 68 моряков.