22 июня 1941 года «Щ-317» встретила под командованием капитана 3-го ранга Андронова Алексея Герасимовича в составе 7-го дивизиона 2-й бригады ПЛ в Таллине на среднем ремонте.
В первый боевой поход подводная лодка патрулировала район между островами Малый и Большой Тютерс (позиция № 5) на случай прорыва крупных немецких кораблей к Кронштадту. Встреч с противником не было, и «Щ-317» благополучно вернулась на базу. 2 ноября 1941 года «Щ-317» начала подготовку ко второму выходу на позицию, причем часть пути она должна была пройти в составе конвоя, следующего на Ханко.
Вечером 2 ноября лодка самостоятельно прибыла к Гогланду и в ожидании конвоя легла на грунт. В 18.00 3 ноября «Щ-317» начала всплытие, но по воздушному пузырю была обнаружена советским сторожевым катером и атакована им. От разрывов глубинных бомб лодка получила повреждения, а, всплыв, была обстреляна артиллерией (всего по «Щ-317» было выпущено 15 45-мм снарядов). Только после подачи опознавательных сигналов малый охотник прекратил огонь. Но этого уже было достаточно. Один из снарядов, пробив прочный корпус в районе 28–29 шпангоутов, образовал пробоину в 1,5 м выше ватерлинии. На подводной лодке возникло возгорание во 2-м отсеке, повреждена запасная торпеда. Кроме того, из-за возникшего замыкания в цепи освещения выключились батарейные автоматы. На лодке погас свет, и при входе в бухту Суркюля дизелисты, перепутав задний ход с передним, посадили лодку на камни. «Щ-317» получила дополнительные повреждения подводной части корпуса. К счастью, потерь среди экипажа субмарины не было. В итоге «Щ-317» 6 ноября вернулась в Кронштадт и встала на ремонт, который в условиях блокадного города продлился до начала 1942 года.
24 января 1942 года командиром лодки назначен капитан-лейтенант Мохов Николай Константинович, до этого командовавший расформированным 9-м дивизионом «малюток» учебной бригады ПЛ КБФ. А. Г. Андронов принял еще официально не введенную в строй флота «К-51».
Всю блокадную зиму 1941/42 года лодка провела в Ленинграде, а 9 июня 1942 года вышла в свой последний боевой поход. Так как новый командир не имел опыта плавания на «щуках», на борту «Щ-317» находился командир 4-го дивизиона ПЛ капитан 2-го ранга В. А. Егоров. Вечером 11 июня подводная лодка вышла с Лавенсари для следования в район Карлскроны (позиция № 2). 16 июня субмарина донесла о форсировании Финского залива и только 10 июля вышла на связь с докладом об уничтожении пяти транспортов противника общим водоизмещением 46.000 тонн и израсходовании боезапаса. Подводной лодке было дано «добро» на возвращение, однако в назначенный срок лодка не вернулась. Вместе с «Щ-317» погиб и весь ее экипаж (42 человека).
14 августа 1942 года весь экипаж подводной лодки был посмертно награжден орденами СССР. До последнего времени считалось, что «Щ-317» погибла от подрыва на мине 15–18 июля 1942 года в Финском заливе, а по данным финской стороны, 15 июля у острова Родшер (район Калбодагрунда) самолет эскадрильи Lelv-6 обнаружил масляное пятно и сбросил по нему глубинную бомбу. Вызванные им минный заградитель «Руотсинсалми» и сторожевой катер «VMV-6» повторили бомбардировку, после чего на поверхности воды показались деревянные обломки, матрацы и другие признаки, свидетельствующие о гибели подводной лодки. Предполагалось, что «Щ-317» подорвалась на мине и получила повреждения, а затем была добита силами ПЛО противника.
Летом 1999 года лодка была обнаружена на грунте шведскими поисковиками в месте с координатами 57°52′ с.ш./16°55′ в.д. (севернее острова Эланд). Если эта информация соответствует действительности, то «Щ-317» стала жертвой глубинных бомб шведского эсминца «Стокгольм» 12 июля 1942 года.
Только после окончания войны достоверность успеха «Щ-317» была подтверждена.
16 июня юго-западнее Богшера лодкой был потоплен финский транспорт «Арго» в 2513 брт., следовавший из Любека в Турку с грузом калийной соли. 14 членов экипажа «Арго» сумели покинуть тонущее судно и вскоре были подобраны шведским параходом «Улла», который при проведении спасательных работ сам был атакован. 9 моряков с «Арго» погибли. 18 июня западнее острова Готска-Санде торпедой «Щ-317» поврежден датский транспорт «Орион» в 2405 брт., шедший в балласте из Копенгагена в Лулео. Два человека пропали без вести при взрыве. Остальные были сняты шведской моторной шхуной «Вирго» и доставлены на берег. На переходе от полученных ран скончался еще один из членов экипажа «Ориона». Сам транспорт шведы спасли и отбуксировали в Висбю, где при осмотре судна найдены фрагменты торпеды с маркировкой на русском языке. 22 июня в 3–4 милях от Нора Мёклебю (восточное побережье Эланда) пошло на дно шведское судно «Ада Гортон» в 2399 брт. с грузом железной руды для Германии. Пароход ушел под воду в течение минуты. 14 членов команды, в том числе и капитан судна, погибли. Восьмерым морякам удалось продержаться на воде, пока их не подобрали рыбаки. Дальнейшие действия «Щ-317» в разных источниках трактуются по-разному. В некоторых из них указывается атака 25 июня в районе Карлскроны, в результате чего потоплен немецкий транспорт «Рейн» (2600 брт.). В действительности это судно (бывшее бельгийское «Люссак») потоплено 6 августа 1944 года у французского Сен-Мало. 1 июля в 11.40 в районе Ландеорт — Херадшер подводной лодкой атакован шведский транспорт «Галеон» в 1206 брт., шедший с грузом железной руды на юг. Торпеда прошла в 5 метрах перед форштевнем судна и взорвалась в прибрежных скалах. Сопровождавший судно эсминец «Эреншельд» контратаковал субмарину, заставив ее отказаться от повторной атаки. Через два дня место атаки было обследовано водолазами и на поверхность подняты части советской торпеды с маркировкой на русском языке, которые сейчас являются экспонатом одного из морских музеев Швеции (их, как минимум, три в Стокгольме, Гётеборге и Карлскроне). По мнению М. Морозова, «Галеон» атаковала «Щ-317», И. Устименко относит эту атаку на счет «Щ-406». По данным И. Устименко, 4 июля у мыса Смигехюк «Щ-317» атакует шведский парусно-моторный галеас «Фортуна», но из-за малой осадки судна торпеда в цель не попала. Через два дня шведский эсминец «Норденшельд» в двух милях юго-восточнее маяка Хегбю атаковал неизвестную подводную лодку. Позже береговая станция Хегбю наблюдала в этом месте пятна соляра, говорившие о том, что субмарина получила повреждения. Заключительным аккордом похода «Щ-317» стала атака 8 июля к северу от острова Борнхольм. Очевидно, последней торпедой на дно отправлен германский транспорт «Отто Корде» (966 брт.). 10 июля в бухте Ханё шведская шхуна «Ханна» (96 брт.), следовавшая из Штеттина в Кальмар с грузом песка, столкнулась с подводным препятствием и затонула. Глубины в этом месте исключают удар о рифы. На вопрос, была ли вторым участником столкновения «Щ-317», может ответить только обследование субмарины.