Заложена 6 сентября 1929 года на заводе № 189 (Балтийский завод) в Ленинграде под стапельным номером 196. 21 мая 1931 года подводная лодка спущена на воду, 24 (по другим данным 29) октября 1933 года вступила в строй и вошла в состав Морских сил Балтийского моря.

    5 сентября 1934 года, когда «Л-2» (командир Иванов Георгий Алексеевич) отрабатывала задачи боевой подготовки с целью определения предельной дальности плавания в подводном положении, на ней произошел взрыв и пожар. В этот момент на борту субмарины кроме штатного экипажа находились дивизионный инженер-механик Григайтис Карл Леопольдович и командир дивизиона подводных лодок Таубе Генрих Генрихович. Григайтис с помощью взятого с собой прибора Сименса определил опасную концентрацию водорода в отсеке, но комдив, опираясь на свой опыт плавания на «барсах» и «декабристах», отклонил его предложение о всплытии, которое прервало бы учебную задачу. Из-за неправильного действия системы вентиляции аккумуляторных ям, приведшего к опасной концентрации водорода, на борту лодки произошел взрыв, в результате чего 4 человека погибли. Среди них были командир дивизиона Таубе, помощник флагманского врача бригады ПЛ З.З. Хвощинский, слушатели учебного отряда подплава В.М. Блинов и В.А. Недялко; они похоронены на кладбище Александро-Невской Лавры. 6 человек экипажа субмарины, в том числе командир корабля и штурман, получили ранения. Принявший на себя командование кораблем К.Л. Григайтис организовал борьбу за живучесть и приказал провести аварийное всплытие. За проявленное мужество и самообладание при ликвидации аварии он был награжден орденом Ленина.

    После этого случая необходимость конструктивных улучшений лодок II серии стала очевидной.

    За два дня до начала Советско-финляндской войны подводная лодка встала в Ленинграде на капитальный ремонт, что исключило ее участие в боевых действиях.

    22 июня 1941 года «Л-2» встретила под командованием капитан-лейтенанта Чебанова Александра Петровича в составе 14-го дивизиона учебной бригады ПЛ КБФ. Лодка находилась в ремонте на заводе № 196 и ее готовность на 1 июля 1941 года составляла 83,2 %. Вскоре ремонт был закончен, и 6 сентября 1941 года «Л-2» перечислена во 2-й дивизион ПЛ КБФ.

    13 ноября 1941 года лодка вышла из Кронштадта с полным грузом мин для минных постановок в Данцигской бухте в составе 4-го конвоя на Ханко (эсминцы «Суровый» и «Гордый», минзаг «Урал», 3 тральщика, 6 катеров).

    В ночь с 13 на 14 ноября 1941 года у острова Кери корабли вошли в плотное минное поле (заграждение D-46, выставленное минным заградителем «Кайзер»). На мины попали эсминцы «Гордый», «Суровый», тральщик «Т-206», охотник «МО-301». В 01.07 «Л-2» подорвалась на мине, но осталась на плаву. Подлодка встала на якорь, а экипаж субмарины приступил к борьбе за живучесть. Характер дна не давал возможности удержать корабль на месте, сильный ветер начал сносить его в сторону, и через 20 минут «Л-2» подорвалась еще на одной мине. Проходившие мимо корабли конвоя участия в спасении людей не принимали. Выделенный для помощи подлодке тральщик «Т-217» не сумел снять экипаж с аварийного корабля и вскоре ушел догонять конвой. С «Л-2» удалось спастись только мотористу Щербине, электрику Бойкову и радисту Кваснову, которые успели перебраться на стоящий рядом эсминец «Суровый» во время случайного сближения кормовых оконечностей двух кораблей. В момент гибели «Сурового» они были сняты с корабля вместе с экипажем эсминца.

    «Л-2» продолжала дрейф: вероятно, днем или вечером 14 ноября она была снесена на третью мину заграждения «F-27» (выставлено МЗ «Риилахти» 4 сентября 1941) и погибла со всем оставшимся экипажем. Вместе с подлодкой погиб ее штурман, известный поэт Алексей Лебедев.

    Остов субмарины был найден в 2006 году сотрудниками Морского музея Эстонии под руководством В. Мяса в точке 59°46' с.ш./25°16' в.д., а в июне 2012 года финская экспедиция под руководством М. Иванова провела обследование объекта. Подлодка лежит на глубине 88 метров; кормовая часть (на которую приходится район повреждений) полностью укрыта грунтом, что не дает возможность дать полную характеристику полученных повреждений.