Заложена 26 февраля 1938 года на заводе № 194 в Ленинграде под стапельным номером 454. 30 июля 1939 года подводная лодка, которая предназначалась для Тихоокеанского флота, была спущена на воду.

    Начало Великой Отечественной войны «К-51» встретила под командованием капитан-лейтенанта Лепешкина Алексея Васильевича в составе 13-го дивизиона Учебной бригады подводных лодок. Корабль находился в достройке, степень его технической готовности составляла на 1 июля 1941 года 88,2 %. С начала войны на подводной лодке в авральном режиме велись достроечные работы, и к началу августа кораблестроители смогли вывести корабль на швартовые испытания. Вскоре последовал приказ о подготовке перевода подлодки на Север в составе ЭОН-17, но выход немцев к Неве в начале сентября оставил «К-51» на Балтике; 17 сентября 1941 года подлодка была передана КБФ во временную эксплуатацию без официальных сдаточных испытаний.

    Вторую половину сентября «К-51» провела в Кронштадте, отбиваясь от налетов вражеской авиации, пока вечером 25-го не встала у Литейного моста в Ленинграде. Вскоре у командования бригады с подачи командира 4-го дивизиона ПЛ капитана 3 ранга В.А. Егорова родилась идея о 120-суточном зимнем рейде (с 15 января по 15 мая 1942 года) крейсерской подводной лодки в Балтийском море в то время, пока Финский залив был покрыт льдом. Для этого была выделена «К-52», но после того как, готовясь к выходу, она 23 ноября получила повреждения, проходя под одним из пролетов Дворцового моста, к операции была предназначена «К-51».

    На Адмиралтейском заводе к боевому походу «катюшу» готовили основательно: за счет переделки части цистерн главного балласта и минной цистерны запас топлива на подводной лодке был доведен до 330 тонн, а из уравнительной цистерны № 2 сделали цистерну пресной воды. Кроме того, во избежание заклинивания при плавании во льдах сняли щиты у носовых торпедных аппаратов и переделали газоотводные клапаны дизелей, Заводские работы проводились силами экипажа корабля в условиях начавшейся блокады, в пустых цехах, при отсутствии пара и электричества. К походу готовилась не только подлодка, но и экипаж; 14 моряков были списаны по состоянию здоровья или из-за невысоких морально-волевых качеств. На время крейсерства командиром корабля назначен Егоров В. А., прежний командир подлодки должен был стать его помощником; кроме того, в состав экипажа были включены главный конструктор подводных лодок XIV серии М.А. Рудницкий и 6 заводских рабочих.

    Но время для выхода оказалось упущенным, в ночь на 21 декабря в сопровождении ледоколов «Молотов» и «Ермак» в тяжелых ледовых условиях подводная лодка перешла в Кронштадт. На переходе караван подвергся артобстрелу, а сама подлодка имела столкновение с буксиром, повредив носовую часть. Так как «Молотов» в ходе артобстрела получил 4 попадания снарядов, он был вынужден остаться в Кронштадте, дальнейшую проводку подводной лодки во льдах должен был осуществить один «Ермак». Тем временем в Кронштадте на подводную лодку были приняты усиленные запасы топлива, масла, продовольствия и боеприпасов. В ночь на 22 декабря «К-51» начала переход на Лавенсари, который проходил в сложных погодных условиях; при повышении температуры воздуха сила ветра достигала 7-8 баллов, от чего, в результате подвижек льда, он стал наползать на подводную лодку. Обшивка легкого корпуса субмарины оказалась порванной во многих местах, дали течь некоторые цистерны, орудийные платформы были сдвинуты с мест. Под тяжестью льда, достигавшего на верхней палубе трехметровой высоты, увеличилась осадка подводной лодки. Вечером 22 декабря конвой прибыл на Лавенсари, где экипажи «К-51» и ледокола приступили к устранению повреждений на субмарине, вызванных сжатиями льда. Ледовый покров уже достиг занятого противником острова Гогланд, и 27 декабря приказом командующего флотом поход был отменен. В ночь на 30 декабря «К-51» перешла в Ленинград для ремонта, встав в Торговом порту рядом с крейсером «Максим Горький». В январе 1942 года в командование кораблем вступил капитан 3 ранга (впоследствии капитан 2 ранга) Андронов Алексей Герасимович.

    Стоянка «К-51» простреливалась артиллерией противника из района Стрельны. 11 марта, взрыв одного из снарядов, попавшего в казарму, где жили подводники, убил одного члена экипажа подлодки и ранил семерых. Артиллерийские обстрелы и налеты авиации продолжались; 24 апреля два снаряда, взорвавшиеся в непосредственной близости от корабля нанесли подлодке повреждения (получены 11 пробоин в прочном корпусе и боевой рубке, в том числе 4 пробоины находились на уровне ватерлинии, были повреждены трубопроводы заполнения цистерн главного балласта, в центральный пост начала поступать вода). Подлодку решили перевести в более безопасное место, но 25 апреля при переходе на стоянку у Калашниковой набережной «К-51» попала под авианалет; две бомбы, взорвавшиеся в 25 м от корабля, нанесли подлодке дополнительные повреждения. Последующий осмотр субмарины показал, что кораблю требуется серьезный ремонт. Только в легком корпусе «К-51» насчитали 382 осколочных пробоин. Необходимость постановки корабля в док вычеркнуло его из участия в кампании 1942 года.

    В июле командиром «К-51» был назначен капитан-лейтенант Шмонов Николай Ефимович, которого 22 апреля 1943 года сменил капитан 2 ранга Дроздов Владимир Александрович (по другим данным назначение произошло 9 октября). Тем временем силами экипажа и заводских рабочих производился ремонт корабля и достроечные работы; 17 ноября 1943 года «К-51» официально вступила в строй. 20 декабря субмарина была принята флотом и вошла в состав 2-го дивизиона ПЛ КБФ, экипаж подлодки приступил к усиленным отработкам задач боевой подготовки.

    16 марта 1944 года при зарядке аккумуляторов на «К-51» по вине личного состава произошел пожар, который длился 10 минут. При этом пострадали приборы и механизмы в IV отсеке. Пройдя в середине октября 1944 года гарантийный ремонт на заводе № 194, 15 ноября «К-51» прибыла в Турку.

    Утром 23 ноября «К-51» отправилась в свой первый боевой поход в район Кольберга (позиция № 7). Выход в море обеспечивал флагманский штурман 2-го дивизиона капитан-лейтенант Никитин. В ночь на 26 ноября подводная лодка прибыла в район действий. Уже утром 27 ноября «К-51» обнаружила три небольших судна, стоящих на удалении друг от друга, и, приняв их за тральщики ожидавших очередного конвоя, атаковала одно из них, но взрыва не последовало. Вероятно, торпеда прошла под целю. Ночью 28 ноября «К-51» дважды атаковала одиночный транспорт, напрасно потратив три торпеды. Наконец, всплыв в надводное положение, подводники потопили его артогнем (за 50 минут израсходовано 144 – 100-мм снаряда, из них в цель попало 48). Судно затонуло в 30 милях восточнее острова Борнхольм. Вероятной жертвой этой атаки стал рыболовный траулер «Золлинг» (260 брт), не вернувшийся с промысла и официально числящийся пропавшим без вести.

    Вечером 29 ноября «К-51» обнаружила пару судов, и трижды атаковала наиболее крупное из них, но торпеды, выпущенные подлодкой, каждый раз либо проходили мимо, либо тонули. В донесении, сделанном командиром субмарины вечером 1 декабря, сообщалось, что все 11 торпед затонули, вероятно, из-за замерзания машинного крана рулевой машинки. В ответ командир бригады рекомендовал проверить правильность окончательного приготовления торпед на подводной лодке.

    Утром 1 декабря в 36 милях северо-западнее Кольберга подводная лодка обнаружила судно, по оценке командира, несколько большего размера, чем потопленное 28 ноября. «К-51» открыла артиллерийский огонь (выпущен 31 снаряд, судно получило 25 попаданий), а через 15 минут цель затонула на глазах у верхней вахты. Вероятно, на дно пошел рыболовный траулер «Саар» (235 брт), но, возможно, в результате атаки подлодки погибло шведское или датское судно.

    Вечером 4 декабря в левой ходовой электростанции подводной лодки по вине личного соства возник пожар, левый электродвигатель вышел из строя. Все время 5 и 6 декабря подводная лодка потратила на устранение неисправности, а 7 декабря перешла в район восточнее острова Борнхольм (позиция № 7), но через четыре дня, израсходовав запас топлива, начала возвращение в базу. Днем 12 декабря у острова Утё «К-51» была встречена эскортом и сопровождена в Хельсинки.

    20 января 1945 года «К-51» перешла на Ханко, откуда утром 23 января вышла в район позиции № 7, известной подлодке по прежнему походу. Вечером 25 января «К-51» начала патрулирование Померанской бухты. Ночью 28 января на рейде Рюгенвальдемюнде подводная лодка атаковала одиночный транспорт. Вскоре после пуска торпед на субмарине услышали два взрыва и наблюдали столб дыма и пламени. Тонул находящийся в немецком фрахте датский транспорт «Виборг» (2.028 брт), совершавший рейс с грузом угля по маршруту Штеттин – Данциг.

    В ночь на 31 января «К-51» обнаружена и безрезультатно атакована немецкими сторожевыми катерами, а в ночь на 4 февраля двумя «шнельботами» из 2-й учебной флотилии торпедных катеров, которые, обстреляв субмарину из автоматических пушек, так же безрезультатно сбросили на подводную лодку 24 глубинных бомбы.

    Вечером 6 февраля «К-51» потратила 4 торпеды, дважды выходя в атаку на две шведские баржи, буксируемые катером. Перезарядив торпедные аппараты, командир субмарины вышел на цель в третий раз, но, опознав национальную принадлежность судов, от атаки отказался.

    В ночь на 14 февраля подводная лодка начала возвращение в базу, и 19 февраля прибыла на Ханко. 26 февраля «К-51» встала в Хельсинки на доковый ремонт, где встретила известие об окончании войны в Европе.

    После окончания войны подводная лодка продолжала службу на Балтике, пока в августе 1948 года не была переведена на Северный флот и вошла в состав 1-го дивизиона бригады ПЛ СФ. 9 сентября 1949 года корабль получил обозначение «Б-5». В 1952 году подводную лодку пытались переоборудовать для стрельбы крылатыми ракетами «Х-10» (проект «Волна»), однако проект так и не был доведен до конца. 29 декабря 1955 года подлодка выведена из боевого состава и разоружена. С 18 января 1956 года переоборудована в плавучую зарядовую станцию «ПЗС-24» (с 27 декабря 1956 «ЗАС-1»), а с 12 мая (по другим данным 12 марта) 1958 года – учебно-тренировочную станцию. 13 марта 1975 года исключена из списков ВМФ и передана отделу фондового имущества для демонтажа и реализации.