Подводная лодка тип «Щ» III серии заложена 5 февраля 1930 года на заводе №-189 (Балтийский завод) в Ленинграде. 1 декабря 1930 года спущена на воду. 11 октября 1933 года Щ-301 вступила в строй, 14 октября 1933 года вошла в состав Морских сил Балтийского моря. В сентябре 1939 года Щ-301 принимала участие в патрулировании Финского залива.
22 июня 1941 года подводная лодка находилась в составе Отдельного учебного дивизиона Подводных лодок КБФ в Ораниенбауме. 10 августа 1941 года подводная лодка вышла в свой первый Боевой поход к Стокгольмским шхерам. 25-27 августа Щ-301 наблюдала за маневрами шведского флота, однако не атаковала, имея указания на это. В ночь на 27 августа 1941 года подводная лодка была отозвана с позиции и 28 августа вернулась в Таллинн в тот момент, когда наши войска уже оставили город.
Вместе с флотом Щ-301 направилась в Кронштадт в составе эскорта. Около 21.15 28 августа 1941 года в районе острова Кери Щ-301 кормой подорвалась на мине заграждения F22, выставленного финскими минными заградителями, но осталась на плаву. Командир, осмотрев повреждения, пришел к выводу, что борьба за живучесть подводной лодки бесполезна (гребные валы загнуты вверх, IV отсек вскрыт, из кормового аппарата вывалилась торпеда), отдал приказ покинуть Щ-301. Подошедшие сторожевые катера сняли с подводной лодки четырнадцать подводников и передали их на штабное судно «Вирония». Через две минуты после этого Щ-301 ушла под воду.
В 2000 году согласно данным эстонских властей, корпус Щ-301 был обнаружен. Однако в дальнейшем оказалось, что это корпус подводной лодки Л-2.
В мае 2012 года на траурной церемонии на месте гибели подводной лодки П-1, члены московского некоммерческого партнерства «Разведывательно-водолазный клуб» заявили, что в ближайших планах клуба — погружения к другим подводным лодкам, погибшим в годы войны на Балтике — С-5, Щ-301, М-95, Л-2.
11 мая 2019 года международная команда дайверов в и участников проекта «Поклон кораблям Великой Победы», при поддержке Фонд президентских грантов начала второй этап экспедиции по поиску и идентификации советских подводных лодок, погибших в годы войны на Балтике. Исследования проходят в территориальных водах Эстонии, в районе бывшего минного поля «Юминда», где погибли несколько подводных лодок, а также более сорока кораблей Таллиннского перехода. В настоящее время команда занята поиском места гибели подводных лодок Щ-301, М-98, «Калев».
28 августа 1941 г. Великая Отечественная война, Балтийский флот. Погибла ПЛ «Щ-301»Щука» на минном поле (4 конвой) на переходе Таллин – Кронштадт. Донесение начальнику ОРСО КБФ № 0491 от 14 августа 1941 года. Донесение начальнику ОРСУ ВМФ № 15/1030 от 12 января 1942 года. Погибли:
- капитан 3 ранга Аверечкин Анатолий Кузьмич – командир 3 дивизиона ПЛ, г. Сталинград
- старший политрук Кобликов Петр Семенович – военком ПЛ, Фрунзенская область, с. Калиновка
- старший лейтенант Матрос Иван Максимович – помощник командира ПЛ, 1911 года рождения, г. Днепропетровск
- лейтенант Гудков Борис Алексеевич – командир БЧ-1, 1917 года рождения, Волгоградская область, Чемсарский район
- лейтенант Падалко Юрий Афанасьевич – командир БЧ-3, 1918 года рождения, Черниговская область, с. Кошелевка
- инженер капитан-лейтенант Тильзо Мартын Петрович – командир БЧ-5, 1910 года рождения, Ленинградская область, Новый Петергоф
- военфельдшер Николаев Василий Петрович – старший фельдшер, Вологодская область, Д. Ухтина
- главный старшина Анисимов Афанасий Михайлович – старшина группы торпедистов, г. Ленинград (Санкт-Петербург)
- главный старшина Багров Борис Алексеевич – старшина группы трюмных, Ленинградская область, г. Ораниенбаум
- старшина 1 статьи Береговой Иван Григорьевич – командир отделения радистов (прикомандирован с «Щ-308»), 1915 года рождения, Киевская область, д. Сосновка
- краснофлотец Борисов Николай Иванович – электрик
- краснофлотец Бородинов Николай Федорович — рулевой, Харьковская область, ст. Власовка
- главный старшина Буковский Иван Николаевич – боцман
- краснофлотец Воробьев Борис Константинович – радист
- краснофлотец Гриднев Николай Тихонович — электрик
- старшина 1 статьи Дешевый Валентин Константинович – старшина группы мотористов
- старшина 2 статьи Ежов Александр Николаевич – командир отделения электриков
- краснофлотец Карпов Павел Михайлович — торпедист
- старшина 2 статьи Кулаков Степан Иванович – командир отделения трюмных
- старший краснофлотец Лаврентьев Александр Николаевич – старший рулевой
- старшина 2 статьи Ларин Василий Иванович – командир отделения СКС
- краснофлотец Левушкин (Левошкин) Николай Александрович – кок, Ленинградская область, д. Русско-Волжье
- краснофлотец Муратов Алексей Григорьевич — моторист, Орловская область, Покровский район
- старший краснофлотец Никонов Николай Емельянович – старший торпедист, Одесская область, с. Ивановка
- старшина 2 статьи Оноприенко Николай Федорович – командир отделения электриков
- старший краснофлотец Перекрестов Константин Иванович – старший моторист, Харьковская область, п. Водинов
- краснофлотец Петров Василий Федорович — моторист, Могилевская область, д. Лабковичи
- старшина 2 статьи Прохоров Сергей Михайлович – командир отделения торпедистов
- краснофлотец Пышкин Виктор Сергеевич – электрик, 1920 года рождения, Московская область, с. Коцково
- краснофлотец Рубцов Александр Иванович — шифровальщик
- старшина 2 статьи Смирнов Алексей Иванович – командир отделения мотористов, 1919 года рождения, Ярославская область, Брейтовский район
- старшина 1 статьи Соков Алексей Иванович – старшина группы радистов ПЛ Щ-302, 1915 года рождения, г. Тула
- краснофлотец Тюрьморезев Александр Васильевич — моторист, Ростовская область, п/о Аперинское
- старшина 2 статьи Филиппов Алексей Алексеевич – командир отделения штурманских электриков, 1916 года рождения, г. Москва
- краснофлотец Фурсенко Иван Филиппович — строевой, 1918 года рождения, Киевская область, с. Емчиха
- старшина 1 статьи Шевченко Владимир Кузьмич – командир отделения электриков, Курская область, д. Воронок
- краснофлотец Шептев Юрий Маркович — рулевой, г. Москва
