Подводная лодка тип «Щ» X серии заложена 31 декабря 1934 года на заводе №-194 в Ленинграде. 12 февраля 1935 года спущена на воду, 29 ноября 1936 года вступила в строй, 11 декабря 1936 вошла в состав Краснознаменного Балтийского флота. В апреле 1936 года подводную лодку предполагалось назвать «Рысь».
Начало Советско-финской войны Щ-320 встретила в составе 17-го дивизиона 2-й Бригады подводных лодок КБФ, совершив за время Боевых действий два Боевых похода.
Начало Великой Отечественной войны подводная лодка встретила в составе 7-го дивизиона 2-й Бригады подводных лодок КБФ.
1 октября 1942 года Щ-320 вышла на позицию в район к западу от острова Борнхольм. В течение похода Щ-320 на связь так и не вышла и дальнейшая ее судьба неизвестна.
23 октября 1942 года Указом Президиума Верховного Совета СССР подводная лодка Щ-320 награждена орденом Красного Знамени.
4 мая 2017 года участники поисковой экспедиции «Поклон кораблям Великой Победы» обнаружили две советские подводные лодки, затонувшие в Балтийском море во время Великой Отечественной войны.
Подводные лодки лежат на грунте неподалёку от острова Большой Тютерс в Финском заливе. Одна из них, Щ-406, находится на глубине шестьдесят метров. Вторая, Щ-320 — на глубине сорок шесть метров. Обе подводные лодки погибли при преодолении немецких минных полей.
По состоянию на начало 2019 года подводная лодка к подъему не планировалась.
Весна — осень 1942 года.
1942 год.
Начало октября 1942 г (предположительно). Великая Отечественная война. Балтийский флот. Погибла при форсировании рубежа ПЛО (предположительно на минах) краснознаменная средняя подводная лодка «Щ-320» в районе острова Гогланда. Погибли:
- капитан 2 ранга Вишневский Иван Макарович – командир ПЛ, 1904 года, Винницкая область, с. Шереметка
- батальонный комиссар Калашников Михаил Дмитриевич – военком ПЛ, 1910 года, Ярославская область, г. Углич
- капитан-лейтенант Мареев Леонид Иванович – помощник командира, 1912 года, Тульская область, г. Перемышль
- старший лейтенант Трубицин Юрий Иванович – командир БЧ-1, 1918 года, Орловская область, г. Елец
- капитан-лейтенант Андреев Павел Акимович – командир БЧ-3, 1914 года, г. Куйбышев (Самара)
- инженер капитан 3 ранга Никулин Николай Филиппович – командир БЧ-5, Западная (Смоленская) область. д. Краснополье
- старший военфельдшер Бочаров Вадим Петрович – лекарский помощник, 1918 года. г. Новогород
- техник-интендант 1 ранга Власов Алексей Иванович – инструктор отдела БП «Красный Балтийский флот», 1918 года, Ярославская область, д. Заможье
- старшина 2 статьи Бораченя (Бараченя) Иван Яковлевич – командир отделения штурманских электриков, 1919 года, Минская область, д. Зажевичи
- главный старшина Бухарев Михаил Васильевич – боцман, 1912 года, Калининская (Тверская) область, г. Торжок
- краснофлотец Бынев Михаил Павлович – рулевой, 1919 года, г. Калинин (Тверь)
- краснофлотец Десятерин Василий Акимович – радист, 1920 года, Днепропетровская область, сс. Китайгородский
- старшина 2 статьи Джунь Николай Александрович – командир отделения гидроакустиков, 1918 года, Днепропетровская область. ст. Елизаровка
- старший краснофлотец Дорохов Иван Сергеевич – старший торпедист, 1920 года, Орловская область, Никольский район
- старшина 2 статьи Зотов Василий Иванович – командир отделения торпедистов, 1920 года, Рязанская область, г. Кольшин
- краснофлотец Калябин Анатолий Мефодьевич – моторист, 1915 года, г. Тула
- старший краснофлотец Клюй Владимир Федосеевич – командир отделения электриков, 1917 года, г. Харьков
- старшина 2 статьи Коновалов Александр Сергеевич – командир отделения рулевых, 1916 года, Ярославская область, д. Савино
- краснофлотец Коровкин Савелий Трофимович – рулевой, 1918 года, г. Ростов на Дону
- старший краснофлотец Котиков Василий Спиридонович – старший электрик, 1918 года, Московская область, г. Раменское
- старшина 2 статьи Макаров Иван Михайлович – командир отделения СКС, 1921 года, Могилевская область. д. Курбяки
- главный старшина Мирошников Степан Андреевич – старшина мотористов, г. Воронеж
- краснофлотец Оболенцов Виктор Федорович – стрелок (??? – возможно комендор), 1920 года, Краснодарский край г. Новороссийск
- краснофлотец Панарин Георгий Иванович – электрик, 1920 года, г. Харьков
- старшина 2 статьи Плеханов Петр Петрович – командир отделения мотористов, 1915 года, Тульская область, д. Корнеевка
- старшина 1 статьи Потемкин Иван Александрович – старшина торпедистов, 1915 года Великолуцкая (Псковская) область, Себежский район
- старший краснофлотец Правдин Алексей Павлович – старший рулевой, 1919 года, Тульская область, д. Гоголино
- краснофлотец Радченко Павел Ефимович – трюмный, 1918 года, Черниговская область. г. Прилуки
- старший краснофлотец Реут Даниил Семенович – старший моторист, 1917 года, г. Днепропетровск
- старшина 2 статьи Рубан Иван Иванович – командир отделения комендоров, 1918 года, Ворошиловградская (Луганская) область, г. Беловодск
- старший краснофлотец Рудаков Дмитрий Егорович – старший моторист, 1921 года, Московская область, д. Полушкино
- краснофлотец Румянцев Николай Иванович – торпедист, 1921 года, г. Ростов на Дону
- старшина 1 статьи Соков Алексей Иванович – старшина радистов, 1915 года. г. Тула – пропал без вести в сентябре 1941 года
- краснофлотец Сулеев (Суляев) Василий Иванович – трюмный, 1917 года. г. Рязань
- главный старшина Тимохин Семен Петрович – старшина электриков, 1908 года, Западная (Смоленская) область, с. Знаменка
- старший краснофлотец Тюхтин Павел Михайлович – старший моторист, 1918 года, Ленинградская область, ст. Песь
- старшина 1 статьи Фадеев Георгий Иванович – командир отделения трюмных, 1915 года, г. Одесса
- мичман Федоров Иван Федорович – старшина трюмных, 1912 года, Ленинградская область, сс. Боровичский
- старшина 1 статьи Шаляпин Анатолий Иванович – старшина радистов, 1916 года, г. Ленинград (Санкт-Петербург)
- краснофлотец Шаповалов Дмитрий Михайлович – кок, 1919 года, Николаевская область, г. Борислав
- краснофлотец Шеин Алексей Петрович – электрик, 1922 года, Орловская область, д. Шатово
