Советско-финляндскую войну подводная лодка встретила под командованием капитан-лейтенанта Малофеева К. И. в составе 13-го дивизиона 1-й бригады ПЛ КБФ. 30 ноября 1939 года согласно сигналу о начале боевых действий «Факел» подводная лодка заняла позицию у южного входа в залив Кальмарзунд (позиция № 19). За время патрулирования «С-3» обнаружено усиленное движение немецких транспортов и нескольких шведских тральщиков. Кроме этого никаких движений в этом районе не наблюдалось. 8 декабря 1939 года, не добившись результатов, лодка вернулась на базу.
Второй выход на позицию юго-западнее Аландских островов «С-3» делает в середине декабря 1939 года (позиция № 7). 17 декабря вне зоны объявленной блокады артиллерией подводной лодки обстреляны германские пароходы «Гильхаузен» и «Линнас». По одному из них субмарина выпустила 48 45-мм снарядов, но ни один из них не попал в цель. Свои действия командир лодки объяснил тем, что принял германский транспорт за финский лесовоз на том основании, что труба и мостик судна были расположены на корме. Следует отметить, что альбомов силуэтов транспортов в штабах соединений подводных лодок не имелось и их изучению не уделялось достаточного внимания. Оба парохода сумели уйти. Во время нахождения на позиции подводная лодка несколько раз встречала канонерские лодки типа «Карьяла» и «Уусимаа» и наблюдала полеты самолетов противника. Не добившись результатов, 22 декабря 1939 года «С-3» вернулась на базу.
22 июня 1941 года субмарина встретила под командованием капитан-лейтенанта Костромичева Николая Александровича, находясь в капремонте на заводе «Тосмаре» в Либаве. 23 июня немцы были уже на подступах к городу, но так как лодка могла идти самостоятельно (но только в надводном положении, погружаться она не могла), Костромичев, отказавшись взорвать лодку и взяв на борт часть членов экипажа подводной лодки «С-1» (в том числе и ее командира капитана 3-го ранга И. Т. Морского), а также рабочих с завода «Тосмаре» (всего на борту лодки было около 100 человек), покинул Либаву. Лодка шла в Усть-Двинск, скорость ее не превышала 5 узлов. В 2.32. 24 июня в районе маяка Ужава ее атаковали торпедами германские торпедные катера «S-60» и «S-35» из состава 3-й катерной флотилии. Торпеды прошли мимо, и в завязавшейся артиллерийской дуэли все решила не мощность 100-мм и 45-мм орудий субмарины, а скорострельность двух немецких 20-мм пушек. Ответным огнем с лодки катера получили незначительные повреждения, 4 человека были ранены. «С-3» упорно уходила на север, и тогда катера атаковали ее ручными гранатами, а затем в 3.39 «S-60» сбросил прямо по курсу «С-3» глубинную бомбу в непосредственной близости от нее. Лодка затонула. Из воды немцы подобрали 20 человек (в некоторых источниках говорится о 3 спасенных, в некоторых — что людей в воде немцы расстреляли из автоматов). Тело командира «С-3» прибило к острову Сааремаа, где он был похоронен.
