Лодка начала маневрирование для выхода в атаку на самый крупный корабль эскадры — «Тирпиц». Н.А. Лунин готовился стрелять из носовых торпедных аппаратов. Однако в 17 36 немецкая эскадра изменила курс повернув на 90° влево. Лодка оказалась на контркурсе с линкором. Командир начал поворот вправо, чтобы лечь на новый боевой курс и стрелять из носовых аппаратов. В 17.50, когда до залпа оставалось три минуты, германские корабли совершили поворот «все вдруг» вправо. Теперь «Тирпиц» находился под очень острым курсовым углом (5–7° левого борта).
Начинать длительный маневр для выхода в новую точку залпа Н.А. Лунин не рискнул, а решил стрелять из кормовых аппаратов.
В 18.01 «К-21» выпустила четыре торпеды из кормовых аппаратов с дистанции 18–20 кбт. После залпа лодка резко увеличила глубину и скорость. Через 2 мин 15 с в лодка услышали два взрыва. Охранение не обнаружило лодку после залпа. В 19.09 «К-21» всплыла и передала сообщение о месте обнаружения немецкой эскадры, ее составе и курсе. Это донесение было перехвачено радиостанцией линкора. В тот же день немецкая эскадра была обнаружена английским самолетом. Считая, что цель похода преждевременно раскрыта, и опасаясь за судьбу линкора, фашистское командование приказало эскадре возвращаться в базу.
7 июля «К-21» была отозвана с позиции и 9 июля лодка вернулась в базу, ее встречали как победительницу. Н.А. Лунин доложил о попадании двух торпед в линкор. Таких результатов не имела ни одна лодка.
Об этой атаке много и подробно написано. Немцы не признали попадания торпед в линкор. Сомнение в успехе «К-21» высказывают и некоторые отечественные историки — слишком большая дистанция до цели, угол встречи с целью 130° и т. д. но никто не ставил под сомнение мужество и мастерство командира и экипажа подводной лодки.
Во время похода 14–23 августа «К-21» выставила на подходах к о-ву Сильден заграждение из 20 мин и безуспешно атаковала группу из четырех кораблей противника.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 23 октября 1942 г. «К-21» была награждена орденом Красного Знамени.
10 февраля 1943 г. «К-21» вышла из Екатерининской гавани, имея задачу выставить минное заграждение, высадить разведывательную группу на о. Арнё и произвести поиск конвоев противника.
12 февраля 1943 г. на переходе в район боевых действий, в пятом отсеке возник сильный пожар, который смогли ликвидировать только через 4 часа. Лодка потеряла возможность погружаться и её подготовили к взрыву. Повреждения устранялись до 17 февраля в открытом море. 18 февраля в восточной части пр. Кегсунн лодка выставила 20 мин. В ночь на 19 февраля на берег была высажена разведывательная группа. Затем она направилась к б. Воген. Рано утром 20 февраля она в надводном положении с дистанции 10–12 кбт произвела четырехторпедный залп по причалу и стоявшим возле него судам и, понаблюдав через две минуты три вспышки от взрывов торпед, полным ходом направилась к выходу из бухты. При возвращении в базу «К-21» на подходах к о-ву Кильдин подверглась атаке самолета Ju-88, сбросившего две бомбы. Лодка уклонилась от атаки срочным погружением и вечером 21 февраля пришла в Полярный.
4 апреля «К-21» вышла в очередной поход. Поздно вечером прибыв в район севернее о-ва Лоппа она произвела постановку минной банки из 20 мин. 9 апреля гидроакустик доложил о шуме винтов одиночного корабля. Подняв перископ, командир классифицировал цель как эсминец. С дистанции 14 кбт лодка выпустила шесть торпед. Через 1 мин 48 с на лодке услышали два глухих взрыва, а еще через 6 мин, осмотрев в перископ горизонт, командир атакованного корабля не обнаружил. Дальнейший поход проходил в условиях сильного шторма. Когда топлива осталось только на обратный переход, Н.А. Лунин доложил об этом командованием и, получив разрешение на возвращение в базу, к концу дня 17 апреля лодка прибыла в Кольский залив.
12 апреля в течение 2 часов обстреливала мотоботы. Один из них потопила и взяла в плен его экипаж (7 человек), возможно потоплены еще несколько мотоботов. Во время стрельбы смыло за борт подносчика снарядов.
23 декабря 1943 г. командиром корабля назначен капитан-лейтенант впоследствии капитан 3 ранга З.М. Арванов.
6 апреля «К-21» вышла в поход. 10 апреля 1944 г. лодка выставила у о-ва Квалё 20 мин. Во время постановки мин, над лодкой были слышны шумы винтов тральщика, и недалеко от нее была сброшена глубинная бомба. 12 апреля «К-21» вернулась в базу.