Заложена 31 августа 1938 года на заводе «Красное Сормово» в Горьком под строительным номером 260. 23 июня 1940 года подводная лодка спущена на воду. Вскоре она была погружена на железнодорожный транспортер и направлена на завод № 198 в Николаев, где вступила в строй и 19 января 1941 года вошла в состав Черноморского флота.

    Начало Великой Отечественной войны «М-33» встретила под командованием старшего лейтенанта (впоследствии капитан-лейтенанта) Сурова Дмитрия Ивановича (принял командование подводной лодкой в июне 1940) в составе 7-го дивизиона 2-й бригады ПЛ в Севастополе. Уже вечером 22 июня подводная лодка вышла в дозор на позицию № 1 юго-западнее мыса Тарханкут, где встреч с кораблями противника не имела. Второе дозорное патрулирование «М-33» в районе северо-восточнее острова Фидониси (позиция № 6) прошло также без встречи с противником. В течение похода на подводной лодке дважды выходила из строя муфта «Бамаг», но субмарина продолжала оставаться в назначенном районе.

    Вечером 2 августа «М-33» вышла в море с задачей проникновения на внешний рейд Констанцы (позиция № 11). 5 августа, благополучно форсировав минное поле, подводная лодка оказалась на внешнем рейде порта. За трое суток патрулирования в этом районе «М-33» лишь однажды наблюдала сторожевик противника, атаковать который из-за малых глубин не смогла. В дальнейшем с середины августа по конец октября 1941 года подводная лодка четырежды выходила на эту позицию. Днем 20 августа она одной торпедой атаковала выходящую в море румынскую субмарину «Дельфинул». В момент выстрела «М-33» не удержала глубину и показала над водой рубку. Торпеда прошла под носом румынской субмарины. Впрочем, противник так же не остался в долгу – румыны обстреляли показавшуюся над водой рубку советской подлодки, не нанеся ей каких-либо повреждений.

    6 декабря «М-33» была направлена для оказания помощи подводной лодке «М-62», которая в условиях сильного шторма была выброшена на камни у устья реки Гагида, а 16 декабря направлена в район Одессы (позиция № 25). В январе 1942 года подводную лодку привлекают к мероприятиям в рамках проведения Керченско-Феодосийской десантной операции. В ночь на 8 января «М-33» в районе Евпатории высадила разведгруппу из 12 человек, но обратно на борт субмарины разведчики не вернулись. Группа к месту встречи с кораблем не прибыла.

    После гарантийного ремонта в Очамчири, проведенного в феврале – мае 1942 года, подводная лодка привлекается к снабжению осажденного Севастополя. За два рейса «М-33» доставила защитникам города 5.900 кг продовольствия и 7 тонн боеприпасов.

    14 июня, загрузив продовольствие – консервированный гороховый суп в банках, обнаружилось, что хотя в весовом отношении количество груза и соответствовало предварительным расчетам, его объем занимал значительно больше места, чем предполагалось. Ящики с консервами укладывались где только можно. Кроме продовольствия подводная лодка приняла боеприпасы для защитников Севастополя. В целом, субмарина настолько оказалась забита грузом, что ко многим ответственным механизмам не имелось доступа.

    В третий транспортный рейс «М-33» вышла днем 22 июня. Она должна была доставить в Севастополь 5,9 тонн боеприпасов, 1 тонну продовольствия и четырех человек. Кроме того, в IV балластную цистерну подводной лодки было закачано 6 тонн бензина, пары которого еще в ходе его приемки через внутреннюю вентиляцию поступали в отсеки, создавая угрозу взрыва. Через несколько часов после того как «М-33» направилась к берегам Крыма, субмарина получила приказ вернуться в Новороссийск. Вечером 23 июня, после перекачки горючего обратно на танкер, перед погружением для дифферентовки во время остановки судовой вентиляции на субмарине произошел взрыв паров бензина. Воспламенение произошло в центральном посту и быстро распространилось по всем отсекам корабля. Люди, особенно в центральном посту, получили сильные ожоги, но они продолжали выполнять свои обязанности, и субмарина ни на минуту не теряла управление. Из центрального поста люди вышли с горящей на них одеждой и ожогами участков тела, так как многие из них работали раздетыми до пояса. Командир приказал им прыгать в воду, а своему помощнику лейтенанту Рузову спуститься вниз и осмотреть, задраены ли переборки. Командир БЧ-5 инженер-лейтенант Сапегин, получивший в момент взрыва сильные ожоги, обошел все отсеки, и только после доклада командиру, что пожара в отсеках нет, потерял сознание. В результате аварии на подводной лодке в аккумуляторных отсеках просел настил, произошло возгорание элементов, многие приборы и механизмы получили повреждения, семь членов экипажа «М-33» получили ожоги первой и второй степени. Наиболее сильно пострадали командир БЧ-5 Сапегин Г.П. и командир отделения трюмных Костылев М.Т., последний впоследствии скончался. «М-33» ушла в Очемчири, где встала на аварийный ремонт.

    После вступления в строй подводная лодка в конце июля – начале августа патрулировала район Евпатории, но противника не встретила.

    На исходе суток 20 августа «М-33» вышла в свой последний боевой поход к Одессе (позиция № 31). Вечером 21 августа, следуя в район действий, подводная лодка по ошибке безрезультатно была атакована советским самолетом. Летчики были последними, кто видел «М-33». Находясь на позиции 22 – 25 августа подводная лодка подорвалась на двух минах минного заграждения «S-33», выставленного румынскими минными заградителями «Дакия» и «Мурджеску» 25 июня 1942 года (260 германских контактных мин «UMB»), и погибла. В июле 1951 года при проведении подготовительных работ по подъему подводной лодки «М-60», погибшей в 7 милях к югу от мыса Большой Фонтан, в 150 метрах от нее (в точке 46°20,3' с.ш./30°54,3' в.д.) была обнаружена еще одна погибшая субмарина. Так как подготовительные работы по подъему первой подводной лодки были завершены, решено было поднять и вторую. Ею оказалась «М-33». Субмарина лежала на глубине 27 метров и имела повреждения в районах I, III и IV отсеков. В ходе осмотра подводной лодки никаких документов, способных пролить свет на причины гибели «М-33», найдено не было, но по ряду косвенных признаков картина гибели корабля была восстановлена. Так как на субмарине нашли большое количество неизрасходованных продуктов, был сделан вывод, что подводная лодка погибла в первой половине срока нахождения на позиции. Взрыв мины произошел в 20.26. в районе I отсека в 5-6 метрах от прочного корпуса, когда «М-33» в подводном положении (глубина 9 метров) совершала переход из района патрулирования в район зарядки батарей. Сразу после взрыва на подводной лодке была предпринята попытка всплыть в надводное положение на полном ходу путем продувания цистерн главного балласта и перекладки горизонтальных рулей на всплытие, но носовая цистерна главного балласта и цистерна плавучести потеряли герметичность. Подводная лодка несколько продвинулась вперед и упала на грунт, оказавшись на второй линии мин. I отсек субмарины был затоплен достаточно быстро, поэтому борьбы за живучесть там не велось, и личный состав перешел во II отсек. Ситуация осложнялась тем, что аккумуляторная батарея имела низкую плотность, а во II отсеке, возможно, вообще была повреждена. Не хватало воздуха высокого давления. Экипаж субмарины готовился к повторному всплытию. Шесть человек находились в VI отсеке у кормового входного люка, один встал к станции аварийного продувания главного балласта, радист находился в радиорубке, остальные, вероятно, в боевой рубке и III отсеке. Верхний рубочный люк был отдраен, но за счет забортного давления сохранял герметичность. Около 00.47. механик продул балласт, и «М-33» с дифферентом на нос начала всплывать. В этот момент в районе переборки между III и IV отсеками взорвалась еще одна мина. В результате, оба отсека и боевая рубка оказались моментально заполнены водой, и все, кто там находились, погибли. «М-33» снова упала на грунт. Оставшиеся в живых в VI отсеке предприняли попытку выйти из затонувшей подводной лодки – был опущен тубус, приготовлен буй, у всех имелись приборы ИСА-М. Но открыть входной люк люди так и не смогли и умерли от недостатка кислорода. На борту «М-33» в ее последнем походе погибли 21 член экипажа субмарины. В 1951 году останки 16 найденных в ходе подъемных работ моряков похоронены в Одессе.