Заложена 3 января 1936 года на заводе № 189 (Балтийский завод) в Ленинграде под стапельным номером 277 как «Н-4». 17 сентября 1936 подводная лодка спущена на воду, 20 октября 1937 корабль получил обозначение «С-4». В июле 1938 года командиром подводной лодки назначен капитан-лейтенант Абросимов Дмитрий Сергеевич. 27 ноября 1939 года «С-4» вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота.

    Советско-финляндскую войну «С-4» встретила под командованием капитан-лейтенанта Абросимова Д.С. в составе 16-го дивизиона ПЛ КБФ. В течение января 1940 года подводная лодка несла дозор у Либавы. В свой второй поход «С-4» вышла 30 января 1940 года. Действия подводной лодки не были связаны с задачей блокады Финляндии. Субмарина вела разведку и наблюдение за шведским флотом. Пробыв в указанном районе несколько дней, подводная лодка была вскоре отозвана в базу. Почти весь обратный путь субмарина следовала во льдах. Около двух суток она шла самостоятельно, но в конце концов все таки оказалась затертой льдами. Из ледового плена субмарину вызволила канонерская лодка «Красное Знамя», которая привела ее в Либаву. 6 февраля 1940 года «С-4» возвратилась в базу. От сжатия и ударов о льдины на субмарине разошлась обшивка в носовой части с обоих бортов, а легкий корпус в нескольких местах сгофрировался. После этого выходы подводных лодок на позиции из-за ледовой обстановки были отменены.

    22 июня 1941 года «С-4» встретила в составе 1-го дивизиона 1-й бригады ПЛ КБФ. Подводной лодкой все так же командовал Д.С. Абросимов. Уже утром 23 июня 1941 года лодка вышла из Усть-Двинска в район Мемеля (позиция № 4). Вечером 27 июня «С-4» обнаружила неизвестную подводную лодку и начала выход в атаку. К счастью, вскоре в цели опознали «Л-3», которая возвращалась с минной постановки. Атаковать обнаруженные тральщики противника командир «С-4» не стал из-за их малой осадки. Не добившись результатов, 10 июля лодка вернулась в бухту Триги, а затем ушла в Кронштадт на плановый ремонт.

    В следующий поход в район Мемеля (позиция № 4) «С-4» вышла 6 августа из Таллина. Подводная лодка держалась близ берега у маяка Паппензее, чтобы выявить курсы движения транспортов противника. Днем 10 августа в 30 милях южнее Либавы она двумя торпедами атаковала, по оценке командира субмарины, танкер в 15000 тонн из состава конвоя. Через 3 минуты после пуска торпед на подводной лодке услышали два взрыва. В момент залпа рулевым не удалось удержать субмарину на глубине, и подлодку выбросило на поверхность. После принятия балласта субмарина упала на дно на глубине 18 метров и затаилась, выключив все шумящие механизмы. Сопровождавшие конвой корабли подвергли «С-4» ожесточенной бомбежке, за 10 часов сбросив 33 глубинные бомбы, которые легли недостаточно точно, но слишком близко для того, чтобы субмарина получила значительные повреждения (от сотрясения крышки входных люков пропустили воду, погасло освещение, повреждена обшивка цистерн главного балласта №№ 1-5, обломано ограждение горизонтальных рулей, в ряде мест деформирован прочный корпус). После того как катера ушли, «С-4» всплыла. У носа и кормы подводной лодки обнаружены буи с постоянным освещением. Видимо, немцы, посчитав советскую субмарину потопленной, выставил буи, чтобы позднее обследовать затонувший корабль. Днем 17 августа «С-4» у мыса Ристна встречена кораблями эскорта и сопровождена ими в Таллин. Объектом атаки субмарины стал конвой шедший из Либавы в Готенхафен, включавший в себя пять пароходов и плавбазу гидроавиации «Gunter Pluschow» (700 т) под эскортом трех вспомогательных тральщиков, Все суда прибыли в пункт назначения без потерь, хотя ранее считалось, что торпедами «С-4» был потоплен танкер «Kaja» (3223 брт), ранее принадлежавший Латвии или или одноименный каботажный пароход, (244 брт) который иногда необоснованно относили к минным успехам «Л-3».

    Командование высоко оценило мужество экипажа субмарины; ее командир был представлен к званию Герой Советского Союза, но к сожалению в итоге получил орден Ленина.

    28-29 августа 1941 года «С-4» в составе отряда главных сил КБФ совершила прорыв из Таллина в Кронштадт. После двухмесячного ремонта вечером 19 октября 1941 года подводная лодка вышла к острову Гогланд (позиция № 1). Ожидавшегося появления крупных немецких кораблей у Кронштадта не произошло. 1 ноября при попытке проникновения на финский шхерный фарватер субмарина ударилась о камни и погнула вал левого винта. «С-4» оставалась на позиции до 17 ноября, так и не найдя цели. 22 ноября она перешла в Ленинград для ремонта и больше в 1941 году в море не выходила.

    Вечером 13 июня 1942 года «С-4» вышла из Кронштадта к острову Лавенсари, откуда в составе 1-го эшелона подводных лодок КБФ, прорывающихся на Балтику, направилась в район Данцигской бухты (позиция № 9). Вечером 15 июня из-за сильного шума минноотводного кинолина подводная лодка вынуждена была вернуться на Лавенсари и демонтировать его. Ночью 16 июня «С-4» наконец-то вышла на позицию. Удачно совершив прорыв и устранив повреждения, нанесенные лодке в ночь на 19 июня финскими сторожевыми катерами, субмарина 28 июня прибыла к маяку Риксгафт.

    Цели долго ждать не пришлось. Уже на исходе первых суток патрулирования подводная лодка атаковала одиночно идущее германское судно «Фриц Шуп». Из двух торпед, подготовленных к залпу, первая из-за заклинивания волнорезных щитков не вышла из торпедного аппарата, след второй не наблюдался; видимо, она затонула на пути к цели. Уничтожить транспорт артиллерией у берегов противника командир подводной лодки не решился. Возможно, немцы обнаружили присутствие подводной лодки в этом районе, так как уже на следующий день место предполагаемого нахождения субмарины бомбили корабли и самолеты ПЛО. До 12 июля подводная лодка имела контакты только с противолодочными кораблями врага.

    13 июля «С-4» сместилась к Карлскроне (позиция № 2), где обнаружила оживленное движение конвоев и одиночных транспортов. Так как коммуникации проходили в шведских территориальных водах, подводная лодка не атаковала.

    В ночь на 20 июля «С-4» начала возвращение в базу. Утром 24 июля в районе маяка Пакри подводная лодка атаковала конвой противника. Одна торпеда из-за неисправности автомата-коробки стрельбы не вышла из торпедного аппарата, вторая прошла перед носом у цели. Противник оставляет атаку без комментариев.

    Ночью 26 июля «С-4» самостоятельно прибыла на Лавенсари. Поход прошел безрезультатно. Все усилия, затраченные на прорыв в открытую часть Балтики были сведены на нет плохим уходом за торпедами. Они или тонули, или просто не выходили из аппаратов. Аппарат-коробка стрельбы отказавшей торпеды в атаке 24 июля не проверялся за все время, пока лодка находилась в море.

    В ночь с 14 на 15 августа 1942 года субмарина направилась в Ленинград для замены аккумуляторной батареи. При входе в Морской канал Ленинграда «С-4» подорвалась на неконтактной мине. Лодка получила повреждения (пробита обшивка цистерн главного балласта, сорван с креплений торпедный аппарат № 5, разбито несколько баков аккумуляторной батареи) и была выброшена на мель. При взрыве погибли находящиеся на мостике командир корабля капитан-лейтенант Абросимов Д.С. и флагманский штурман ОВРа Ленинградской ВМБ капитан 3 ранга Крылов Иван Васильевич: три человека получили ранения. Через четыре часа подводная лодка была снята с мели, и, несмотря на интенсивный огонь противника из района Стрельны, полным ходом направилась в Ленинград.

    После нескольких месяцев ремонта «С-4» снова вошла в строй.

    15 августа 1942 года командиром «С-4» назначен капитан 3 ранга Бащенко Александр Аркадьевич. К 28 апреля 1943 года «С-4» была готова к боевому походу, но поздно вечером 30 апреля на подводной лодке произошел взрыв паров водорода, выделяемых аккумуляторной батареей. Корпус субмарины, ряд приборов и механизмов получили повреждения. Субмарина вновь потребовала ремонта. Как наиболее подготовленный командир Бащенко принимает под свое командование «С-12». Командовать «С-4» 20 мая 1943 года назначается капитан 2 ранга Юнаков Евгений Гаврилович, ранее командовавший 1-м дивизионом ПЛ, а 28 августа субмарину принимает капитан 2 ранга Червинский Владимир Александрович, также имевший опыт командования дивизионом.

    Практически небоеготовая подводная лодка в 1943 году в море не выходила.

    12 марта 1944 года командиром «С-4» назначен капитан-лейтенант (впоследствии капитан 3 ранга) Клюшкин Алексей Александрович (ранее командовал ПЛ «М-79»).

    4 октября 1944 года лодка вышла в очередной поход. 8 октября субмарина в районе острова Утё выведена в открытую часть Балтики для следования на позицию в район маяка Штольпенмюнде западнее Данцигской бухты (позиция № 6). К вечеру 11 октября «С-4» прибыла в район в 50 милях севернее маяка Стило. Утром 12 октября в точке 55°04'05 с.ш./17°51'8 в.д. «С-4» атаковала транспорт из состава конвоя. Одна из подготовленных к залпу торпед не вышла из торпедного аппарата из-за неисправности рулей и винтов, зато вторая через 53 секунды после пуска поразила цель – по оценке командира судно в 6.000 тонн. Жертвой данной атаки могли стать рыболовный траулер «Таунус» (218 брт). Указываемый в качестве жертвы данной атаки «С-4» танкер «Талатта» (3.145 брт) пережил войну и по репарациям получен Великобританией. После пуска торпеды подводная лодка из-за ошибки трюмных машинистов стала стремительно погружаться, и чуть было не ударилась о дно. К счастью, противник не преследовал ее. Днем севернее маяка Стило «С-4» атаковала одиночный транспорт. Одна торпеда, имеющая неконтактный взрыватель, взорвалась преждевременно, не дойдя до цели, вторая из-за неисправности крышки торпедного аппарата не вышла вовсе. Спустя полчаса «С-4» вышла в атаку по другому одиночно идущему судну, но транспорт уклонился от выпущенных торпед. Обе атаки противник оставляет без комментариев. Утром 13 октября в 24 милях северо-западнее маяка Стило «С-4» атаковала одиночно идущий танкер. Экипажу подводной лодки представилась возможность наблюдать попадание торпед и гибель судна. На этот раз на дно ушел танкер «Терра» (1.533 брт), затонувший в точке 54°58' с.ш./18°19' в.д. Через трое суток в точке 55°00' с.ш./19°00' в.д. «С-4» вышла в атаку на одиночный транспорт. К сожалению, торпедисты не дождавшись команды «Пли», выпустили три торпеды по команде «Товсь». Торпеды вышли до прихода цели на угол упреждения, и судно ушло невредимым. Утром 20 октября севернее маяка Стило в точке 54°58' с.ш./17°52' в.д. «С-4» атаковала двумя последними торпедами транспорт, который командир оценил в 8.000 тонн. Пуск торпед проводился из надводного положения. Несмотря на то, что с подлодки наблюдалось попадание в цель и гибель судна, германская сторона осставляет без комментариев этот эпизод. Так как боезапас был израсходован, подводная лодка начала возвращение в базу и 23 октября прибыла в Хельсинки.

    В свой последний поход «С-4» отправилась 24 ноября 1944 года. В базу она не вернулась. 14 декабря в 13 милях западнее маяка Акменрагс субмарина атаковала конвой и по докладу командира повредила транспорт из его состава. Возможно, был неудачно атакован минный заградитель «Амерланд». До конца месяца в атаки подводная лодка больше не выходила, зато сама несколько раз становилась целью для германских «U-ботов». Вечером 1 января 1945 года «С-4» в последний раз вышла в эфир. Командир субмарины докладывал, что результатом патрулирования подводной лодки стала гибель одного судна противника, и она продолжает действия. Неразборчивая работа радиостанции, якобы принадлежащей «С-4», принималась находившейся в Хельсинки плавбазой «Иртыш» 7 и 18 января.

    Подлодка погибла в ночь на 5 января 1945 года (4 января 22.45 по Берлину или 5 января 00.45 по Москве) примерно в 11 милях западнее мыса Брюстерорт (Таран) в точке 54°56' с.ш./19°39' в.д. (по другим данным 55°01' с.ш./19°40' в.д.). Германский миноносец «Т-3» в паре с «Т-8» сопровождавший транспорт «Вольта» из Готенхафена в Либаву в условиях плохой видимости на дистанции 100 м обнаружил прямо по курсу всплывшую советскую подлодку. Не теряя времени, корабль на скорости 15 узлов таранил субмарину; удар пришелся непосредственно за рубкой. После погружения подлодки миноносец несколько раз прошел по этому месту, сбросив в общей сложности 20 глубинных бомб.

    Летом 2014 года остов «С-4» был найден Клубом исследователей Музея Мирового океана при содействии Западного филиала Госакваспас МЧС России и кораблей Балтийского флота. В ходе обследования выяснено, что корпус подлодки со значительными повреждениями лежит на глубине 72 м с небольшим креном на левый борт. Значительная часть легкого корпуса в кормовой части разрушена, ограждение мостика отсутствует, кормовое орудие сорвано со своего места и лежит на верхней палубе. Все люки задраены, перископ опущен, горизонтальные рули в нейтральном положении, вертикальный руль в положении «прямо». За кормой погибшей субмарины нашли несколько неразорвавшихся глубинных бомб.

    Вместе с «С-4» погибли 48 членов экипажа.