Заложена под стапельным номером 123 на заводе № 196 в Ленинграде 31 марта 1940 года. 17 июля 1941 года подводная лодка спущена на воду. Вскоре после начала войны субмарина переведена по внутренним водным путям в Горький (Нижний Новгород), а осенью 1941 года в Астрахань, где на заводе № 638 продолжалась достройка корабля.

    В августе 1942 года в связи с приближением линии фронта к Волге «М-201» на буксире подводной лодки «С-14» эвакуирована в Баку, где достроечные работы были продолжены. 5 сентября 1942 года командиром «М-201» назначен старший лейтенант (впоследствии капитан-лейтенант) Балин Николай Иванович.

    16 апреля 1943 года подводная лодка вступила в строй, и 26 апреля формально, так как еще 18 марта специальным распоряжением заместителя Наркома ВМФ было дано указание на подготовку перехода корабля на Северный флот, вошла в состав Каспийской военной флотилии. Тогда же «М-201» была включена в состав отдельного отряда подводных лодок, включающий в себя субмарины, предназначенные для перехода с Каспия на Север. 22 апреля подлодка начала движение своим ходом из Астрахани в Горький, куда благополучно прибыла 1 мая. Там субмарину вместе с однотипной «М-200» поставили в плавучий док, и 15 мая они продолжила движение в Молотовск (Северодвинск). 28 мая обе подводные лодки благополучно прибыли по назначению. 29 августа 1943 года «М-201» вступила в строй и вошла в состав Северного флота. 18 октября подводная лодка прибыла в Полярное и перечислена в состав 6-го дивизиона ПЛ СФ (до этого входила в отдельный учебный дивизион; с 4 декабря 1943 – в составе 3-го дивизиона ПЛ СФ).

    Не успев приступить к боевому патрулированию, подводная лодка отправилась в аварийный ремонт: в конце ноября при стоянке в губе Пала штормовые волны несколько раз сильно ударили корабль о пирс, в результате чего подлодка получила пробоину в балластной цистерне.

    В первый боевой поход с задачей патрулирования района Тана-фьорд – Берлевог (сектор № 2) «М-201» вышла вечером 17 января 1944 года. Обеспечивал боевой дебют субмарины командир 3-го дивизиона ПЛ капитан 2 ранга В.А. Иванов. Вечером 19 января на рейде Берлевога подводная лодка атаковала транспорт, стоящий на якоре. Не добившись попадания (торпеды взорвались в гавани), командир субмарины через 3 минуты повторил попытку, после чего наблюдалось попадание и клубы дыма на атакованном судне. Объектом атаки «М-201» стал пароход «Наталь» (3172 брт), который 7 января был выброшен штормом на камни у мыса Маккаур. Судно к тому времени было оставлено экипажем и считалось потерянным, но продолжало привлекать на себя атаки подводных лодок и авиации.

    Второй боевой поход «М-201» проходил в районе Порсангер-фьорда (сектор «Н») в рамках операции «РВ-2» («Разгром врага») в конце февраля – начале марта. За время патрулирования подводная лодка трижды обнаруживала цели, но каждый раз по разным причинам командир субмарины отказывался от атаки.

    Майское патрулирование района мыс Блудскютудде – мыс Маккаур (сектор № 4) в ходе операции «РВ-4» было отмечено торпедной атакой крупного конвоя утром 26 мая. Наведенная воздушной разведкой «М-201» выпустила две торпеды по одному из судов конвоя «Lf-120-Ki» и створившемуся с ним сторожевиком. Спустя 170 секунд после пуска торпед на подводной лодке услышано два взрыва, что послужило основанием для доклада об уничтожении сторожевика и повреждении транспорта. Через двадцать минут на субмарине зафиксировали взрывы, посчитав их за преследование. (Всего за 5 часов на «М-201» насчитали 52 близких и две с половиной сотни отдаленных взрывов; как раз в это время по конвою отбомбилась советская авиация, а затем корабли эскорта преследовали атаковавшую конвой «С-15»). Несмотря на послевоенное заявление советской стороны о гибели от торпед «М-201» сторожевика «Uj-1764» из состава 17-й флотилии, (что не соответствует действительности; он погиб на мине 17 октября 1944 года у Эгерсунда), караван, состоящий из девяти транспортов («Актив», «Балтенланд», «Керкплейн», «Гердмор», «Помпеи», «Х.Е. Фрицен», «Хорст», «Норд-31», «Марштайнен») под охраной охотников 12-й флотилии (на подводной лодке состав конвоя оценен как 1-3 транспорта по 6000 тонн, 8-9 сторожевиков, 4-6 тральщиков, катера) потерь от данной атаки не понес, она была не замечена немцами.

    В середине июня «М-201» принимала участие в операции «РВ-5». Субмарина занимала сектор № 4 в районе Сюльте-фьорда. 15 июня ориентируясь на данные авиаразведки подводная лодка перехватила конвой, движущийся в восточном направлении, но из-за ошибки личного состава в атаку выйти не смогла. Утром 16 июня у мыса Маккаур «М-201» выпустила две торпеды по судну стоящему на якоре. Объектом атаки вновь оказался злосчастный «Наталь», по которому «М-201» уже успела отстреляться 19 января. Кроме нее торпедные аппараты по остову судна разрядили «М-104» 10 марта, «М-105» 31 января, «С-14» 12 июня; не остались в долгу и авиаторы Северного флота, атаковавшие «Наталь» 6, 9 и 11 июля. Пуск торпед подводной лодкой не остался незамеченным, сторожевые катера противника отогнали субмарину, сбросив на безопасном удалении 9 глубинных бомб.

    В пятом боевом походе «М-201» сумела добиться подтвержденного результата атаки. С вечера 17 августа подводная лодка в рамках операции «РВ-7» патрулировала сектор № 4 (мыс Блюдскютудде – мыс Маккаур). В ночь на 19 августа в районе мыса Харбакен субмарина обнаружила конвой противника, следующий в восточном направлении. Две торпеды, выпущенные из-за сильного тумана по акустическим пеленгам, разорвали борт сторожевика «V 6112» («Friese») из состава 61-й флотилии СКР, (переоборудован из рыболовного траулера «Брандман», 452 брт). Корабль затонул, потеряв 29 членов экипажа. Противник не контратакова, хотя на подлодке зафиксировали 9 взрывов глубинных бомб. «М-201» продолжила патрулирование, но после ряда поломок приборов и механизмов произошедших 22-23 августа вернулась в базу. На этом ее участие в боевых действиях завершились.

    Вскоре конечной точкой немецких коммуникаций стал Тормсё, который находился в зоне оперативной ответственности Великобритании. С ноября 1944 года выход подводных лодок СФ на позиции практически прекратился.

    13 апреля 1945 года субмарина перечислена в состав Краснознаменного Балтийского флота. 28 апреля «М-201» начала подготовку к перебазированию на Балтику. 22 июня субмарина поставлена на транспортер и 8 июля по железной дороге доставлена в Ленинград. В этот же день она была включена в состав 5-го дивизиона ПЛ КБФ.

    29 декабря 1955 года «М-201» исключена из состава ВМФ, сдана на разборку и в 1956 году разобрана в Таллине.