Заложена под стапельным номером 243 на заводе № 112 (Красное Сормово) в Горьком (Нижний Новгород) 20 июня 1937 года, 20 апреля 1938 года подводная лодка спущена на воду, 15 декабря 1940 года вступила в строй и 29 декабря 1940 года вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    Начало Великой Отечественной войны «С-101» встретила под командованием капитана 3 ранга (затем капитана 2 ранга) Векке Виктора Кузьмича в составе 2-го дивизиона 1-й бригады ПЛ КБФ в Усть-Двинске. 23 июня подводная лодка вышла в район Карлскроны, но неисправность одного из дизелей заставило ее вернуться обратно. 27 июня «С-101» направилась на позицию № 8 в западной части Ирбенского пролива. В течение 17 суток нахождения в районе боевого предназначения подводная лодка значительную часть времени отлеживалась на грунте в 20 милях западнее маяка Вильсанди, лишь изредка всплывая под перископ; экипаж субмарины продолжал ремонт дизеля. Вечером 14 июля подводной лодке приказано двигаться в бухту Кихелькона, где была организована встреча подлодок, возвращающихся с позиций. Утром 15 июля в проливе Соэла-Вяйн «С-101» была атакована одиночным немецким самолетом. Лётчик добился прямого попадания; к счастью для экипажа субмарины, обе бомбы сброшенные бомбардировщиком не взорвались. Первая упала в 3-4 метрах от борта, зато вторая попала в барбет 100-мм орудия и пробила легкий корпус, оставив в нем пробоину 40 на 60 см.

    18 июля подводная лодка прибыла в Кронштадт, где начала срочную подготовку к переходу на Северный флот через Беломорканал. 5 августа «С-101» в паре с «С-102» под общим командованием капитана 3 ранга М.Ф. Хомякова начала движение. 8 сентября подводная лодка прибыли в Беломорск, а затем перешла в Архангельск, где 17 сентября включена в состав учебного дивизиона бригады ПЛ СФ. Повторив краткий курс боевой подготовки и проведя восстановительный ремонт, «С-101» направилась в Полярное, но в пути у Зимнегорского маяка утром 7 октября из-за неправильных действий вахтенного офицера, который вместо подачи опознавательных отдал приказ «Срочное погружение» ошибочно атакована своими самолетами «МБР-2» из состава 49-й отдельной морской разведывательной авиаэскадрильи. Самолеты сбросили на подводную лодку четыре авиационные глубинные бомбы «ПЛАБ-100», но, к счастью для подводников, взорвалась из них лишь одна; впрочем, и этого было достаточно. Когда подлодка находилась на глубине 12 м, рядом прогремел взрыв; корпус корабля сильно встряхнуло, в отсеках погас свет, из-за включения батарейных автоматов и остановки гребных электродвигателей субмарина потеряла ход и легла на грунт на глубине 45 м. Осмотр отсеков показал, что ряд механизмов сдвинулся с фундаментов, разбилось 25 баков аккумуляторной батареи, через лопнувший сварной шов топливной цистерны № 2 внутрь корпуса начал поступать соляр, часть которого вылилась в аккумуляторную яму (впрочем, нарушилась герметичность всех топливных цистерн, кроме № 8 и № 9), вышли из строя эхолот, радиопередатчик, и ряд других механизмов и электроприборов. Спустя 45 минут подводная лодка всплыла, и, обменявшись опознавательными с самолетами, вернулась в Архангельск, где встала на ремонт, который продлился до 17 ноября.

    Субмарина окончательно вступила в строй только 29 ноября; 13 декабря она прибыла в Полярное, где зачислена в состав 3-го (с декабря 1941 2-го дивизиона ПЛ СФ). В свой второй боевой поход, ставший первым на новом театре «С-101» вышла 31 января (по другим данным утром 1 февраля) 1942 года. Задачей подводной лодки являлась высадка разведгруппы на побережье противника и дальнейшее патрулирование в районе Конгс-фьорда (позиция № 4-а); обеспечивал действия субмарины командир 2-го дивизиона ПЛ СФ старший лейтенант М.Ф.Хомяков. Вечером 3 февраля подлодка успешно выполнила первую часть боевой задачи, доставив трех разведчиков на берег в районе Тана-фьорда. Днем 6 февраля у мыса Нолнес «С-101» обнаружила судно в 5000 тонн, стоящее на якоре. Субмарина с дистанции 13 кбт атаковала его двумя торпедами из кормовых аппаратов, и вскоре командир подлодки в перископ наблюдал поражение цели и гибель судна, которое затонуло на мелководье; из-под воды возвышалась только труба транспорта. Целью торпед подлодки стал севший на камни в шторм 11 января 1942 года норвежский пароход «Мимона» (1919 г., 1147 брт). Положение судна было признано безнадежным, оно брошено и исключено из списков компании-судовладельца. Вдобавок, 19 января 1942 года пароход подвергся артобстрелу ПЛ «К-22», отчего в результате попадания 100-мм снарядов он полностью выгорел. Подлодка оставалась на позиции до утра 26 февраля, пока не была отозвана в базу.

    В конце февраля – начале марта «С-101» перешла в Мурманск для проведения навигационного ремонта. Днем 24 марта подлодка подверглась атаке трех бомбардировщиков «Ju-88», в результате четыре бомбы взорвались в непосредственной близости от корабля. На субмарине образовалась трещина в днище кормовой аккумуляторной ямы, лопнуло 7 аккумуляторных баков, вышел из строя ряд электроизмерительных приборов. 8 апреля «С-101» вступила в строй.

    Апрельское патрулирование подводной лодки было связано с прикрытием союзных конвоев «PQ-14» и «QP-10» в 150 милях севернее острова Фуглё (позиция № 12-б). При прокладке курса штурман подлодки допустил ошибку на 5? к востоку (около 120 миль), в результате чего «С-101» оказалась на пути конвоя «QP-10», эскорт которого дал советским подводникам наглядный урок условий работы их немецких коллег. Почти трое суток подлодке пришлось уклоняться от профилактических сбросов глубинных бомб, пока 13 апреля ошибка штурмана не была обнаружена. Только к утру 14 апреля «С-101» прибыла в назначенный район действий, где находилась до прибытия «PQ-14» в Мурманск. Вечером 21 апреля подлодка направилась в базу, но в пути получила приказ занять позицию № 5 северо-западнее Вардё, чего ей сделать не удалось. В ночь на 23 апреля на подлодке обнаружилось корпусное сообщение 1-й группы аккумуляторной батареи, Осмотр показал, что при одном из срочных погружении по вине личного состава из-за неперекрытого клапана системы замещения топлива от давления забортной воды лопнула топливная цистерна №1. В аккумуляторную яму стал поступать соляр, а выгнувшимися стенками цистерны раздавлены корпуса 23 аккумуляторных баков. «С-101» была вынуждена прервать дальнейшее выполнение задания и вернуться в базу, где встала на ремонт.

    Следующий боевой поход чуть было не поставил точку в карьере «С-101». На исходе 16 мая подлодка вышла для действий в районе Тана-фьорда (позиция № 4). Утром 25 мая субмарина, извещенная накануне по радио о прохождении вражеского конвоя, сумела перехватить его. Подводная лодка сумела выпустить лишь одну торпеду с дистанции 18 кбт, вероятно, по транспорту «Метеор», а затем была вынуждена прервать атаку, так как в этот момент конвой изменил курс. Несмотря на то, что вскоре на подлодке зафиксировали раскатистый взрыв, торпеда прошла мимо цели. Спустя три с половиной часа «С-101» обнаружила группу противолодочных кораблей («Uj-1102», «Uj-1105», «Uj-1108» и «Uj-1109» из состава 11-й флотилии) и при попытке атаковать их, была обнаружена. Охотники три часа ожесточенно преследовали субмарину, сбросив при этом 179 глубинных бомб. С их первыми разрывами горизонтальные рули подводной лодки были заклинены в положении «на погружение», после чего «С-101» провалилась до глубины 87 м , дважды ударившись о грунт. Пытаясь предотвратить неконтролируемое погружение, подводники подали в носовую цистерну сжатый воздух, но, так как клапаны вентиляции цистерн были подорваны, основная часть воздуха стравилась за борт. Пережидая бомбежку, подлодка легла на грунт. Положение корабля стало еще более незавидным из-за ошибки личного состава кормовых отсеков, не перекрывших клапана магистрали замещения, в результате чего топливная цистерна № 2 вспучилась, раздавив пять аккумуляторных баков и дала трещину через которую в трюм IV отсека стал поступать соляр. В итоге, к вечеру, благополучно оторвавшись от преследовавших ее кораблей, подлодка попыталась всплыть, но тут же была снова атакована самолетом противника, который загнал ее под воду. К утру 26 мая экипаж подлодки, испытывая кислородное голодание, начал впадать в обморочное состояние. В таком положении решено было всплыть, чтобы принять бой в надводном положении, но на поверхности воды, к счастью для подводников, никого не оказалось. Серьезные повреждения (нарушена герметичность балластных цистерн № 1, 3, 4, 7, центровка левой линии вала, вышли из строя зенитный перископ, магнитный компас, многие приборы и механизмы) не позволили продолжить патрулирование. Вечером 27 мая «С-101» прибыла в Полярное, где до конца июля простояла в аварийном ремонте.

    Пятый боевой поход «С-101» вновь сопровождался сплошными неудачами. Утром 21 июля выйдя в район северо-западнее Вардё (позиция № 3) подлодка неоднократно пропускала потенциальные объекты для атаки, а в ночь на 3 августа, после того как решилась уничтожить артогнем мотобот, из 24 выпущенных с дистанции 6 кбт 45-мм снарядов ни один не попал в цель. Дальнейшее патрулирование прошло с тем же результатом; подлодка так и не атаковала. Днем 5 августа она начала возвращение в базу, по пути не сумев расстрелять плавающую мину; один из 45-мм снарядов застрял в казеннике орудия. В итоге, действия командира «С-101» вызвали негативную оценку командования, и его смена являлась лишь делом времени.

    Два месяца «С-101» провела в ремонте, пока не вышла в следующий боевой поход, задачей которого стало прикрытие перехода одиночных советских и союзных судов с Новой Земли в Исландию. Днем 2 ноября «С-101» направилась в сектор «Е» в северной части Баренцева моря. В этот же день германская авиация в 60 милях южнее острова Надежды потопила советский транспорт «Декабрист». На исходе 4 ноября подлодка прибыла в место гибели судна, но ни транспорта, ни шлюпок с людьми не обнаружила. (Одна из них, 19 человек во главе с капитаном «Декабриста» С.П. Беляевым, достигла острова Надежды, но зимовку пережили только трое из них. Летом 1943 года они были взяты в плен; общие потери судна составили 77 человек). Поиск продолжался до вечера 5 ноября, в ходе которого по вине личного состава подводной лодки была утеряна торпеда. Утром 7 ноября «С-101» услышала шум винтов, артиллерийскую стрельбу и взрывы, однако ни своих кораблей, ни кораблей противника не обнаружила. В это время немецкая группа в составе эсминцев «Z-4», «Z-16», «Z-27» и «Z-30» во главе с тяжелым крейсером «Адмирал Хиппер» проводила операцию «Хоффнунг», в результате которой были потоплены советские сторожевик «СКР-23» и танкер «Донбасс». Вечером того же дня подлодка получила приказ оказать помощь одному их союзных судов и спустилась южнее, но и здесь ее действия были безрезультатны. Днем 15 ноября «С-101» прибыла в базу, где вскоре встала на текущий ремонт с заменой аккумуляторной батареи, баки которой, за время боевых походов не раз выходили из строя по, большему счету, по вине экипажа. К этому времени вышел Приказ Верховного Главнокомандующего И.В. Сталина, в котором командиру «С-101» был объявлен выговор за эпизод 7 октября 1941 года, когда подлодка получила повреждения, в том числе и аккумуляторной батареи, в результате «дружественного огня» авиации.

    К моменту как 5 марта 1943 года «С-101» вступила в строй, на ней сменился командир. 2 декабря 1942 года им стал капитан 3 ранга Егоров Павел Ильич. Под его руководством действия корабля приобрели дерзость и решительность. Первый же боевой поход дал результат. Вечером 20 марта 1943 года «С-101» вышла в район позиции № 4 между мысами Нордкин и Маккаур, а днем 22 марта с дистанции 6 кбт она атаковала транспорт «Драу» из состава крупного и хорошо охраняющегося конвоя. Торпеды, благодаря кружившему над караваном самолету, который своевременно успел подать сигнал об опасности, прошли мимо, а в ответ тральщики «M-322» и «M-361», чтобы отогнать подлодку, сбросили на безопасном удалении от субмарины 10 глубинных бомб. Несмотря на то, что «С-101» так и не смогла высадить на побережье противника разведгруппу, она днем 29 марта вновь обнаружив большой конвой противника с сильным сопровождением, пыталась атаковать сразу два судна из его состава. Торпеды, выпущенные со стороны берега с дистанции 7-8 кбт, нашли только одну цель – транспорт «Аякс» (2297 брт) с грузом овса и соломы, который затонул, через 10 минут получив попадание в корму. В ответ сопровождавшие конвой сторожевики «V-6112», «V-6103», «V-5902» сбросили несколько глубинных бомб, вероятно, только чтобы отогнать подлодку, потому что скоро над конвоем появилась восьмерка самолетов «Пе-2» 29-го бомбардировочного полка СФ. Так как все носовые торпеды подлодки были израсходованы, она была отозвана в базу, и утром 31 марта прибыла в Полярное.

    Во второй половине апреля «С-101» действовала в знакомом по прежнему патрулированию районе позиции № 4. Днем 26 апреля подлодка с дистанции 9-10 кбт произвела залп из четырех торпед по транспорту «Нойкурен» из состава крупного конвоя, но командир субмарины ошибся с расчетами, и все они прошли мимо, а одна из них, оснащенная неконтактным взрывателем, взорвалась в кильватере атакуемого судна. В ответ сопровождавшие конвой сторожевики преследовали подлодку, безуспешно сбросив за три часа 24 глубинных бомбы. Прибыв в Полярное вечером 2 мая, «С-101» прошла небольшой ремонт, после которого вышла в девятый боевой поход. Он проходил во второй половине июня в том же районе, что и предыдущие. За время патрулирования «С-101» четырежды (в ночь на 13, вечером 14, утром 19 и 23 июня) выходила в атаки на большие конвои противника, но ни одна из них, несмотря на то, что на подлодке каждый раз фиксировали взрывы, не увенчалась поражением цели. В ответ немцы дважды (13 и 23 июня) контратаковали субмарину, так же безуспешно сбросив на нее в общей сложности полсотни глубинных бомб. 25 июня корабль вернулся в Полярное, где вскоре его ждали организационные изменения; 1 июля «С-101» вошла в состав свежесформированного 5-го дивизиона ПЛ СФ, во главе которого встал ее прежний командир; 23 июля подводную лодку принял капитан-лейтенант (затем капитан 3 ранга) Трофимов Евгений Николаевич, ранее командовавший «М-108». Так как Трофимов не успел сдать зачеты курса торпедных стрельб, в первом его походе на «С-101», который проходил в новом для советских подлодок районе к востоку от мыса Желания на архипелаге Новая Земля, позиция (№ 12), его обеспечивал прежний командир подлодки капитан 2 ранга П.И. Егоров. К этому времени германские надводные рейдеры в данном районе уже не появлялись, но немецкие подводные лодки действовали там регулярно каждое лето. Вечером 7 августа субмарина покинула базу, и только утром 28 августа акустик «С-101» краснофлотец И.В. Ларин обнаружил шум винтов. Их источником была немецкая подводная лодка «U-639» обер-лейтенанта Вихмана, которая 11 августа вышла из Нарвика с задачей установки минного поля в Обской губе. Командир «С-101» из-за снежного заряда не смог разглядеть цель, зато комдив Егоров, при очередном подъеме перископа обнаружил вражескую подлодку. В точке 76°49 с.ш./ 69°40 в.д. с дистанции 6 кбт была проведена торпедная атака, удачный результат которой наблюдался в перископ, а личный состав в отсеках ощутил сильный взрыв. Всплыв, подводная лодка обнаружила большое пятно соляра, кроме того, в подтверждение поражения цели, с поверхности воды подводники подняли спасательный круг, предметы обмундирования и документы. Утром 2 сентября «С-101» прибыла в Полярное.

    Кампанию 1943 года «С-101» завершила во второй половине октября выходом в район между мысами Омганг и Сверхольт-клуббен (позиция № 6). Вечером 26 октября «С-101» атаковала пару «тральщиков», после чего личный состав кормовых отсеков подлодки зафиксировал три взрыва. Противник эту атаку подлодки оставляет без комментариев; возможно безуспешной атаке подверглась группа неприятельских охотников, либо норвежское судно. После выхода из строя гирокомпаса подлодка начала возвращение в базу. Простояв сутки на якоре у мыса Могильный, утром 30 октября она прибыла в Полярное, где ее ждал ремонт.

    Работы на корабле длились почти год. За это время на подводной лодке были установлены гидролокатор «Дракон», стабилизатор глубины «Спрут», приборы «ПУГ» (прибор установки гидростата) и «ПУПО» (прибор установки прибора Обри), а так же оборудование для использования электрических торпед «ЭТ-80».

    8 июля 1944 года «С-101» переходе из поселка Роста в Мурманск из-за выхода из строя электрического управления вертикальным рулем столкнулась с тральщиком «ТЩ-45», в результате чего получила пробоину в легком корпусе длиной 7 м и повреждения винта, а сразу после аварийного ремонта при переходе через Кольский залив села на мель. Результатом происшествий стало снятие командира и штурмана субмарины с должности. 17 августа «С-101» стал командовать капитан-лейтенант (затем капитан 3 ранга) Зиновьев Николай Трофимович, бывший ранее старпомом на «С-15». После отработки задач боевой подготовки, 5 сентября подлодка вступила в строй.

    В конце октября – первой половине ноября 1944 года «С-101» завершила свое участие в боевых действиях походом к мысу Нодкап (сектор «А») в рамках операции «Вест». Вечером 26 октября подлодка покинула базу, а уже к утру 27-го проходящий мимо союзный конвой «JW-61» дал ей наглядный урок противолодочной обороны, сбросив на безопасном удалении от подлодки несколько глубинных бомб. Субмарина достаточно эффективно пользовалась установленным недавно гидролокатором, успешно форсируя минные поля противника, но к утру 29 октября начали капризничать электроторпеды. Из-за попадания воды взорвался аккумулятор одной из них в аппарате № 4, а утром 31 октября при атаке группы германских эсминцев («Z 29», «Z 33» и «Z 34») из состава 4-й флотилии; из аппаратов № 2 и 3 они попросту не вышли и застряли там. Подлодке пришлось стрелять только одной торпедой, которая прошла далеко в стороне от кораблей, которые даже не заметили атаку. Спустя семь часов «С-101» пыталась атаковать пару «тральщиков», на деле являвшимися охотниками «Uj-1207» и «Uj-1222», но так как обе застрявшие торпеды еще были не вытолкнуты из аппаратов, пришлось ограничиться двух-торпедным залпом с дистанции 11 кбт, который был замечен противником. Вражеские сторожевики не оставили подлодку безнаказанной начав ожесточенное преследование, в ходе которого за шесть с половиной часов на «С-101» было сброшено 147 глубинных бомб. К счастью, часть бомб легла на безопасном удалении от субмарины, но все равно, она получила значительный список повреждений (лопнул шов в крыше топливной цистерны № 1, через подорванный газоотводный клапан в V отсек стало поступать до 1,5 т воды в час, заполнена водой шахта ГАС «Дракон». Вышли из строя шумопеленгатор «Марс», лаг, часть освещения, вал лебедки перископа, перегорели предохранители вертикального руля), которые не заставили ее покинуть позицию. 1 ноября, наскоро устранив в районе зарядки повреждения, подлодка продолжила патрулирование, но в итоге дальнейшие ее действия были безрезультатны. Вечером 11 ноября «С-101» прибыла в Полярное, где встала на ремонт, который продлился до окончания боевых действий. Только в конце января 1945 года подлодка вступила в строй. Так как в октябре 1944 года конечной точкой коммуникаций противника стал Тормсё, который находился в зоне оперативной ответственности союзников, выход советских подводных лодок на позиции был прекращен.

    24 мая 1945 года «С-101» награждена орденом Красного Знамени. 15 июня 1945 года она стала участником парада Победы в Мурманске.

    После окончания войны подлодка продолжала служить на Севере. 17 февраля 1956 года «С-101» разоружена и исключена из состава ВМФ СССР. 23 марта 1956 года корпус лодки был передан в распоряжение отдельного дивизиона Аварийно-спасательной службы Беломорской флотилии СФ, где использовался как учебная болванка для тренировок водолазов. В 1957 году корпус лодки разобран на металл в Мурманске.