Заложена 10 марта 1934 года на заводе № 198 (им. Марти) в Николаеве под заводским номером 288. Секциями по железной дороге подводная лодка перевезена на завод № 190 в Ленинград, где производилась ее окончательная сборка. 23 декабря 1934 года «М-72» спущена на воду и 13 сентября 1935 года вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    Под командованием старшего лейтенанта Кулыгина Николая Николаевича в составе 23-го дивизиона 3-й бригады ПЛ в Ораниенбауме подводная лодка приняла участие в советско-финляндской войне. 5 декабря 1939 года дивизион перебазировался в Палдиски (Балтийский порт), и уже через три дня субмарина вышла на позицию в район Калбодагрунд (позиция № 1). Вечером при зарядке аккумуляторной батареи прогорел газовый коллектор дизеля, и субмарина вынуждена была вернуться в Палдиски, но 9 декабря «М-72» вновь вышла к Калбодагрунду. 15 декабря на подводной лодке произошел пожар главного электромотора и 16 декабря «М-72» вернулась в базу, чтобы встать на аварийный ремонт.

    Третий поход в этот же район в конце декабря прошел для лодки с тем же результатом. На позиции разыгрался шторм. От ударов волн на подводной лодке в положении «на погружение» заклинены кормовые горизонтальные рули. Субмарина вынуждена была укрыться в бухте Хара-лахт и в ночь на 30 декабря начала возвращение в базу.

    12 января 1940 года «М-72» снова вышла на позицию. Патрулирование проходило в секторе между островами Юссаре и Бенгштер (район № 4). К вечеру 15 января ветер усилился до 5-6 баллов. Волна захлестывала люк рубки. На подводной лодке вышел из строя гирокомпас, магнитный компас выбило из нактоуза. По возвращении в базу лодка попала в крупнобитый лед, и войти в Палдиски смогла только с помощью ледокола. Поход в сложных ледовых условиях достался «М-72» дорогой ценой: от напора льда лодка имела вмятины в ограждении рубки, у неё нарушилась герметичность торпедных аппаратов, а форштевень был свернут в сторону. Подлодка встала на ремонт, который из-за отсутствия заводских мощностей, затянулся.

    22 июня 1941 года «М-72» встретила в составе 9-го дивизиона учебной бригады ПЛ в Кронштадте. Ремонт продолжался, но в августе работы на корабле прекращены, субмарина поставлена на консервацию, а ее личный состав пополнил отряды морской пехоты.

    2 декабря 1944 года лодка разоружена и сдана на слом.