В апреле — мае 1939 года субмарина под командованием старшего лейтенанта А. А. Жукова обеспечивала радиосвязью самолет В. К. Коккинаки во время его беспосадочного перелета в США.
29 сентября 1939 года «Д-2» вернулась на Балтику и встала на капитальный ремонт и модернизацию.
22 июня 1941 года корабль встретил под командованием капитан-лейтенанта (затем капитана 3-, 2-го ранга) Линденберга Романа Владимировича в составе дивизиона строящихся и капитально ремонтирующихся подводных лодок Учебной бригады подплава на слипе завода № 189 в Ленинграде. Степень его технической готовности составляла 95,8 %. По окончании ремонта «Д-2» на Север уже вернуться не смогла, так как немцы уже вышли к Неве и переход стал невозможен. 17 августа 1941 года «Д-2» вновь вошла в состав КБФ.
В свой первый боевой поход лодка вышла только 23 сентября 1942 года. На следующий день «Д-2» запуталась в противолодочной сети и сильно ударилась о грунт, повредив вертикальный руль. Освободиться от сети удалось только через четыре часа; еще сутки ушли на устранение повреждений. «Д-2» избежала атаки противолодочных сил противника только потому, что погода не благоприятствовала их действиям. Исправив повреждения, подводная лодка 29 сентября форсировала Финский залив и заняла указанный район у мыса Ристна (позиция № 4). Ночью 30 сентября «Д-2» получила приказ сменить район патрулирования и утром 6 октября прибыла на позицию у острова Борнхольм, по пути 3 октября в районе маяка Хегбю (северная оконечность острова Эланд) атаковав конвой. Через минуту после выпуска торпед на «Д-2» услышали взрыв, но зарубежных данных по результатам этой атаки нет. Советская сторона, со ссылкой на сообщение стокrольмского радио, претендует на потепление транспорта в 11 500 брт. Преследованию подводная лодка не подвергалась. Еще четыре атаки (7, 8, 10 и утром 14 октября) по транспортам противника «Д-2» провела неудачно.
7 октября «Д-2» после выстрела вынырнула на поверхность. Транспорт, заметив торпеду, уклонился от нее. В зарубежных источниках данных по этой атаке нет. На следующий день был безуспешно атакован шведский транспорт «Гуннар». 10 октября так же безрезультатно атакован пароход «Тимандара». Торпеда пускалась вслед уходящему судну. (По данным М. Морозова, атака произведена 11 октября, зарубежных данных по ее результатам нет.) Утром 14 октября в момент залпа субмарина из-за ошибки рулевого-горизонтальщика ушла на глубину.
