27 сентября «Щ-309» вышла на позицию к западу от острова Малый Тютерс, на случай попытки прорыва эскадры германских кораблей к Кронштадту. Не встретив кораблей противника, лодка 17 октября вернулась.
9 ноября она вновь вышла в море. С 11 по 15 ноября «Щ-309» прикрывала эвакуацию Ханко, затем направилась в район Мемель — Виндава, где не смогла произвести ни одной атаки и 26 ноября прибыла в бухту Сууркюля на острове Гогланд для встречи с эскортом. Ожидание растянулось на десять суток и, с учетом ледовой обстановки, лодка прибыла в Кронштадт за ледоколом «Молотов» только 12 декабря.
В следующий поход «Щ-309» отправилась 13 августа 1942 г. Успешно прорвавшись через Финский залив, лодка 23 августа заняла позицию в Аландском море. 25 августа она безуспешно атаковала финский минзаг «Лоухи». 30 августа и 4 сентября И.С. Кабо атаковал финские конвои, но без попаданий. Оба раза эскорт контратаковал лодку, но безрезультатно. 12 сентября лодка атаковала и, наконец, потопила лесовоз «Бонден» (695 брт). У лодки вышли из строя кормовые горизонтальные рули. «Дельфин» перешел в южную часть позиции, где экипаж в течение недели безуспешно пытался устранить поломку. 29 сентября «Щ-309» направилась в базу. Лодка без потерь прошла Финским заливом и 10 октября прибыла в Кронштадт, пробыв в море 46 суток — второй по продолжительности поход советской подводной лодки в годы Великой Отечественной войне. 11 октября 1942 г. лодка стала на ремонт в Ленинграде и в строй вернулась через год.
Приказом Народного комиссара ВМФ от 1 марта 1943 № 80 экипаж подводной лодки «Щ-309» был удостоен звания гвардейского.
26 марта командиром корабля был назначен капитан-лейтенант (впоследствии капитан 3 ранга) Н.А. Филов.
Летом 1944 года «Щ-309» в течение месяца отрабатывала задачи боевой подготовки на Ладожском озере. 4 октября она вышла в боевой поход, однако у командира обнаружилась болезнь глаз («куриная слепота»). Поэтому лодка днем лежала на грунте, а ночью всплывала только для зарядки аккумуляторов. Н.А. Филов доложил о потере зрения и 21 октября «Щ-309» вернули в базу.
27 октября командиром «Дельфина» был назначен капитан 3 ранга П.П. Ветчинкин, и 31 октября лодка вышла из Турку в море. Утром 10 ноября в районе Виндавы она из надводного положения потопила шедший без конвоя транспорт «Карл Кордс» (903 брт). В последующие дни (12 и 14 ноября) командир пытался атаковать конвои, но безуспешно. В свою очередь корабли противника 12–13 ноября вели поиск лодки, но не могли ее обнаружить.
16 ноября лодка перешла к мысу Сырве (остров Саарема). 21 ноября она безуспешно атаковала два эсминца противника. Позже она отказалась от атаки отряда боевых кораблей в составе крейсера и эсминцев, из-за малых глубин. 24 ноября лодка вернулась в район Виндавы. 7 декабря «Щ-309» из надводного положения атаковала и уничтожила транспорт «Норденхам» (4592 брт). Израсходовав все торпеды, «Дельфин» 11 декабря вернулся в Турку.
18 февраля 1945 г. «Щ-309» вышла из Турку под проводкой ледокола. На лодке находился командир бригады контр-адмирал С.Б. Верховский, которому Нарком ВМФ приказал лично научить командиров подводных лодок действовать более эффективно, и 22 февраля прибыла на позицию у Либавы… На следующий день она атаковала из надводного положения и потопила транспорт «Геттинген» (6267 брт). Корабли охранения открыли артиллерийский огонь, а после погружения лодки атаковали ее глубинными бомбами. «Щ-309» легла на грунт и противник потерял с ней контакт. Но в дальнейшем поход складывался неудачно и, израсходовав в трех безуспешных атаках все оставшиеся торпеды, «Щ-309» вернулась в базу задолго до истечения срока автономности.
30 марта «Дельфин» вновь выходит в море, где её неоднократно атаковывали противолодочные силы, поэтому «Щ-309» действовала только ночью, а днем отлеживалась на грунте. В связи с выходом из строя одного дизеля, 6 мая лодка покинула позицию и 10 мая прибыла в Турку.
«Щ-309» совершила 8 боевых походов (230 суток) 14 торпедных атак, в результате которых потоплено 4 судна (12357 брт) и, возможно, повреждено 2 судна.
3 марта 1949 г. «Щ-309» была исключена из состава ВМФ и разделана на металл в Лиепае.
Заложена 14 августа 1933 г. в Ленинграде на заводе № 194 (им. Марти). В 1934 г. секциями по железной дороге была перевезена в Николаев на завод № 200 (им 61 коммунара), где 3 апреля 1934 г. спущена на воду. 3 сентября 1935 г. вошла в состав ЧФ.
Начало войны лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта (впоследствии капитана 3 ранга) А.И. Стрижака в составе Отдельного учебного дивизиона подводных лодок в Новороссийске.