Заложена 25 августа 1934 года на заводе № 198 (им. Марти) в Николаеве под заводским номером 304. По железной дороге подводная лодка перевезена в Ленинград на завод № 190, где 15 сентября 1935 года была спущена на воду. 15 июля 1936 года «М-81» вступила в строй и 22 июля 1936 года вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    К началу Советско-финляндской войны корабль находился под командованием старшего лейтенанта Кабо Исаака Соломоновича в составе 24-го дивизиона 3-й бригады ПЛ КБФ. В ночь на 30 ноября 1939 года подлодка вышла в район Хельсинки (позиция № 2), но уже очень скоро при погружении ударилась о грунт, повредив вертикальный руль. К вечеру 30 ноября сумарина на буксире эсминца «Гордый» прибыла в Таллин. После кратковременного аварийного ремонта «М-81» прибыла в Палдиски, откуда 8 декабря вышла в район Порккалан-Калбода (позиция № 3), где встреч с кораблями противника не имела. С 25 по 28 декабря она занимала район близ Хельсинки (позиция № 2). Утром 27 декабря в районе 16 миль южнее Хельсинки подлодкой обнаружено финское минное заграждение.

    5 января 1940 года «М-81» вышла для действий и ведения разведки на внутреннем шхерном фарватере в районе юго-восточнее Ханко у Тверминне (обеспечивающий – командир 24-го дивизиона ПЛ капитан-лейтенант С.И. Матвеев). При переходе на позицию близ башни Сегелыпер подводную лодку застиг туман. Продвигаясь в нем, субмарина несколько раз садилась на камни. Днем «М-81» в очередной раз наскочила на банку. В этот момент на расстоянии 5-6 кбт от лодки показался торпедный катер противника. К счастью, он не заметил подводной лодки и скрылся в тумане. Вскоре «М-81» сумела самостоятельно сняться с мели и выйти на чистую воду. К вечеру 5 января подлодка заняла позицию № 4 в районе Юссаре. 9 января на субмарине было обнаружено повреждение в коллекторе, и «М-81» под электромоторами вернулась в Палдиски.

    22 июня 1941 года подводная лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта Зубкова Федора Антоновича в составе 4-го дивизиона 1-й бригады ПЛ КБФ в Либаве, и в этот же день заняла дозорную позицию на подходах к базе.

    27 июня по приказу командира бригады лодка покинула позицию, а так как в Либаве уже были немцы, «М-81» направилась в Усть-Двинск, где застала бригаду на переходе в Куйвасте, а затем в Палдиски.

    1 июля 1941 года лодка шла в составе отряда кораблей в кильватере плавбазы «Иртыш». У банки Лайне в районе острова Вормси (в точке 59°08'6 с.ш./22°58'4 в.д.) «М-81» подорвалась на мине и затонула, переломившись в районе центрального поста. На борт тральщика «Т-216» были подняты трое, в момент взрыва находившихся на мостике. Командир «М-81» был мертв, тяжело ранен командир БЧ-5 Ракитин Б.В., командир группы рулевых Петр Семенов почти не пострадал.

    Еще одним из спасенных оказался электрик краснофлотец Преображенский Виктор Сергеевич (1917 г.р.). В момент взрыва он спал в IV отсеке. Преображенский сумел добраться до отсечного люка и, открыв его, вместе с пузырем воздуха всплыл на поверхность. Служить на подводных лодках ему уже не пришлось, но он продолжал воевать в составе 14-го стрелкового полка 72-й стрелковой дивизии.

    В 1965 году «М-81» была поднята Аварийно-спасательной службой флота с глубины 20 метров. Экипаж лодки был похоронен в Риге, а сама она разделана на металл в Таллине.