22 июня 1941 г. встретила под командованием капитан-лейтенанта (впоследствии капитан 3 ранга, капитана 2 ранга) Е.П. Полякова в составе 1-го дивизиона 1-й бригады подводных лодок ЧФ, находясь в ремонте в Севастополе.
После завершения ремонта прошла ускоренный курс боевой подготовки и в августе 1941 г. приступила к выполнению минных постановок. 12, 19 и 24 августа «Л-4» выставила мины в районе маяка Олинька. 7 и 18 сентября лодка совершила две минные постановки в западных районах Черного моря, выставив 40 мин.
Утром 5 октября «Л-4» подошла к району порта Мангалия для постановки мин. Когда лодка следовала в точку начала постановки, на расстоянии 20 кбт был обнаружен румынский эсминец «Реджина Мария». Лодка вышла в атаку и выпустила две торпеды, но в цель они не попали. Эсминец сбросил 12 глубинных бомб, которые не причинили лодке вреда. Когда преследование прекратилось, «Л-4» поставила четыре минные банки в 6 милях к востоку от порта Мангалия. По окончании постановки лодка подверглась преследованию эсминца «Сборул», но сумела оторваться от противника.
24 октября «Л-4» поставила минное заграждение к юго-востоку от порта Мангалия.
В ночь на 1 ноября лодка совместно с другими кораблями вышла из Севастополя в Новороссийск.
12 декабря в районе Варны в надводном положении «Л-4» подорвалась на мине, получила повреждения корпуса и механизмов, но осталась на позиции до окончания назначенного срока. С приходом в базу встала на ремонт на 4 месяца.
9 мая 1942 г. «Л-4» совместно с «Л-5» прибыли в осажденный Севастополь, доставив 114 т продовольствия. Всего в мае — июне 1942 г. совершила 7 транспортных рейсов в главную базу, доставив туда 160 т боеприпасов, 290 т продовольствия, 27 т бензина, 7 человек и эвакуировав на Кавказ 243 человека.
19 августа в районе м. Сарыч «Л-4» произвела постановку четырех минных банок (20 мин). 19 сентября лодка выставила четыре минные банки в районе м. Бургас.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 октября 1942 г. «Л-4» первой среди подводных лодок ЧФ была награждена орденом Красного Знамени.
22 мая 1943 г. «Л-4» вышла для действий на коммуникациях противника в районе Феодосии. В 10.39 лодка обнаружила самоходную баржу в охранении торпедного катера и атаковала ее тремя торпедами. Баржа была потоплена. 23 мая около 8 ч «Л-4» обнаружила в районе Судака две вражеские баржи. Из-за невозможности атаковать баржу торпедами подводная лодка всплыла и открыла огонь из 102-мм орудия, повредив одну баржу. 31 мая «Л-4» возвратилась в базу.
Вечером 10 июля «Л-4» вышла из Поти для действий на коммуникациях противника в районе Тарханкута и постановки минного заграждения у Евпатории. 18 июля она выставила 20 мин пятью банками к югу от Евпаторийского маяка (на Лукулльском створе). На этих минах 28 июля подорвался неприятельский лихтер (отбуксирован противником в Евпаторию).
По окончании минной постановки в соответствии с приказом командующего флотом от 16 июля «Л-4» направилась на позицию к Босфору. Район действия подводной лодки был изменен в связи с тем, что поступили сведения о выходе из Босфора двух вражеских теплоходов. Находясь на позиции у Босфора, лодка 22 июля в 6.02 и 23 июля в 17.05 потопила артиллерийским огнем две шхуны противника. 30 июля «Л-4» возвратилась в базу.
15 апреля 1944 г. «Л-4» вышла на позицию. 26 апреля она выходила в атаку на транспорт «Хельга», однако ее торпеды в цель не попали.
11 мая в районе к юго-востоку от Констанцы в 6.14 с дистанции 12 кбт атаковала четырьмя торпедами танкер «Фридерике» и повредила его.
13 июня 1944 г. врио командира корабля назначен старший лейтенант П.И. Киреев. 15 сентября командиром назначен капитан-лейтенант (впоследствии капитан 3 ранга) С.П. Горбатский.
«Л-4» совершила 23 боевых похода, в том числе 7 транспортных в осажденный Севастополь (208 суток), 5 торпедных атак, в результате которых повреждено 1 судно. Артиллерийским огнем уничтожено 2 судна. 10 минных постановок (200 мин). Предположительно на выставленных «Л-4» минах погибли: транспорт «Шипка» (15 сентября 1941 г.), самоходная баржа «SNR-1468», а также поврежден 1 ктщ.
17 февраля 1956 г. «Л-4» была исключена из списков ВМФ.
Заложена 6 сентября 1929 г. в Ленинграде на заводе № 189 (Балтийский завод), 8 марта 1931 г. спущена на воду. 9 ноября 1933 г. вошла в состав МСБМ.
22 июня 1941 г. «Л-3» встретила под командованием капитана 3 ранга (впоследствии капитана 2 ранга) П.Д. Грищенко в составе 3-го дивизиона 1-й бригады подводных лодок в Либаве.