В первый же день войны лодка вышла в дозор у Либавы. 26 июня она получила приказ идти к Мемелю и выставить там минное заграждение. 27 июня на подходах к порту было выставлено 20 мин. Пока «Л-3» находилась в море, немецкие войска быстро продвигались на восток. Пала Либава и П.Д. Грищенко получил приказ следовать в Ригу. Но на подходе к Ирбенскому проливу поступило новое указание — идти в Таллин, куда лодка прибыла 5 июля.
В следующий поход «Фрунзевец» вышел 15 июля и направился в Данцигскую бухту. 19 июля подводный минзаг выставил 20 мин. После этого «Л-3» оставалась на позиции. Несколько раз она обнаруживала конвои противника, но выпустить торпеды не удавалось, поскольку катера-охотники обнаруживали лодку и атаковали ее, не давая приблизиться к транспортам. Корабль получил ряд повреждений, но 31 июля прибыл на Таллиннский рейд.
Вскоре «Л-3» перешла в Кронштадт, а затем в Ленинград для ремонта и подготовке к переходу. По приказу Наркома ВМФ Н.Г. Кузнецова несколько подводных лодок КБФ, в том числе и «Л-3», начали готовить к переходу на СФ. Но 31 августа немцы вышли к Неве, что сделало переход по Беломорско-Балтийскому каналу невозможным. Тогда в штабе бригады подводных лодок возник план прорыва на Север через Балтийские проливы, но командование вскоре осознало всю нереальность этого замысла. 5 сентября «Фрунзевец» перешел в Кронштадт. В сентябре орудия «Л- 3» не раз открывали огонь по самолетам, бомбившим корабли, стоявшие в кронштадтских гаванях.
9 августа 1942 г. «Л-3» вышла из Кронштадта на позицию к западу от острова Борнхольм. В этот поход на корабле отправился писатель-маринист А.И. Зонин, который после похода написал «Походный дневник». Благополучно форсировав Финский залив, «Фрунзевец» 18 августа в районе Эланда обнаружил конвой из 12 транспортов под охраной миноносцев и катеров. Прорвав линию охранения «Л-3» двумя торпедами потопила танкер. Корабли охранения сбросили на лодку 38 глубинных бомб, не причинивших ей вреда. Затем она направилась на юг, в Померанскую бухту для постановки минного заграждения. Поэтому обнаруженные транспорты не атаковывали, чтобы не выдать своего присутствия.
25 и 26 августа «Л-3» выставила две минные банки из 7 и 13 мин на фарватерах противника к западу от острова Борнхольм. Вечером 26 августа лодка обнаружила четыре транспорта, и, выпустив четыре торпеды из надводного положения, потопила два из них. 1 сентября в районе Эланда встретив конвой, выпустила две торпеды по кораблю охранения, а затем четыре торпеды по транспорту. В результате корабль охранения был поврежден, а транспорт потоплен. При возвращении в базу, 6 сентября в Финском заливе «Л-3» подорвалась на мине, получила повреждения корпуса и механизмов, но благополучно прибыла в базу 10 сентября. За мужество, проявленное в походе, 15 членов экипажа были награждены орденом Ленина, 24 — орденом Красного Знамени и 15 — орденом Красной Звезды.
27 октября «Л-3» вышла для постановки мин на фарватере у острова Утё, у Либавы и на походах к Клайпеде. 1 ноября лодка выставила 10 мин у острова Утё, 5 ноября — 7 мин у Клайпеды и 13-го — 3 у Либавы. 13 ноября «Л-3» обнаружила конвой, но при выходе в атаку, попала под таранный удар транспорта. В результате она лишилась перископов и была вынуждена возвратиться в базу. 18 ноября «Л-3» прибыла в Кронштадт.
Приказом Народного комиссара ВМФ от 1 марта 1943 № 80 экипаж подводной лодки «Л-3» был удостоен звания гвардейского.
9 марта командиром корабля был назначен капитан-лейтенант (впоследствии капитан 3 ранга) В.К. Коновалов. В 1943 году «Л-3» в боевые походы не выходила.
В 1944 году «Л-3» совершила один поход. 1 октября она вышла из Кронштадта в район острова Утё, откуда 5 октября направилась на позицию к острову Борнхольм. 11 октября она поставила 20 мин северо-восточнее мыса Аркона (у острова Борнхольм). Затем вела поиск судов противника к западу и северо-западу от Борнхольма. 15 октября она атаковала транспорт и, по докладу командира, потопила его. 21 октября лодка получила приказание перейти в район Либавы, а 26-го — к Клайпеде, но несколько атак, произведенных в этих районах, были неудачными. 16 ноября лодка вернулась в Ханко.