Начало Великой Отечественной войны «Щ-320» встретила под командованием капитан-лейтенанта (впоследствии капитана 3-го ранга) Вишневского Ивана Макаровича в составе 7-го дивизиона 2-й бригады подводных лодок КБФ в среднем ремонте в доке Таллина. 4 июля подводная лодка прибыла в Ленинград и с 18 августа находилась в готовности к походу.
Вечером 20 сентября «Щ-320» вышла на позицию в северную часть Данцигской бухты (позиция № 4), на перекресток сразу нескольких важных коммуникаций противника. Спустя 56 часов после выхода из Кронштадта «Щ-320» завершила форсирование Финского залива. Через три дня подводная лодка вышла в свою первую торпедную атаку. С дистанции 12 кбт «Щ-320» выпустила одну торпеду по транспорту, идущему без охранения. Спустя две минуты на подводной лодке услышали глухой взрыв. Чтобы убедиться в успехе, командир субмарины через 17 минут после атаки в перископ осмотрел место боя. Был обнаружен второй транспорт в окружении шлюпок и катеров. Противник не комментирует результат этой атаки (55°05′ с.ш./19°37′5″ в.д.). Советская сторона заявляет об уничтожении транспорта «Холланд» (реально на момент гибели «Марианн») в 911 брт., которое погибло в этот день на германской мине в районе Кольберга. Во время атаки на подводной лодке отказали предохранители электросети кормовых горизонтальных рулей, носовые рули также заклинило. Субмарина стала погружаться с дифферентом 45°, был пролит электролит, гирокомпас вышел из меридиана.
Продолжая поход, подводная лодка еще дважды выходила в атаку (1 и 13 октября) по одиночным транспортам. В обоих случаях взрывов не последовало. Противник и эти атаки оставляет без комментариев. Первый поход «Щ-320» сопровождал инцидент, связанный с нарушением радиосвязи. Переданное с подводной лодки днем 6 октября третье донесение стало первым, которое приняли в штабе флота. По официальным данным, командир БЧ-1-4 лейтенант Трубицын не передал радистам подводной лодки новые радиоданные, и практически на протяжении всего похода «Щ-320» выходила в эфир не на той частоте, на которой ей предписывалось. В результате командование, посчитав «Щ-320» погибшей при форсировании Финского залива, на две недели задержало развертывание на позициях других подводных лодок. Принимая во внимание, что такая же история случилась с «Щ-319», вышедшей одновременно с «Щ-320», то можно полагать, что вина в происшедшем лежит на флагманских связистах.
Утром 25 октября «Щ-320» благополучно вернулась в Кронштадт и сразу же перешла в Ленинград для ремонта.
Экипаж субмарины считался одним из самых боеготовых в бригаде ПЛ Балтийского флота, поэтому кампанию 1942 года «Щ-320» начала в составе подводных лодок первого эшелона, выходивших на коммуникации противника. Уже в ночь на 14 июня «Щ-320» пришла на Лавенсари. На переходе подводная лодка подверглась атаке 3 самолетов противника, так как в нарушение указаний командования субмарина осуществляла переход в надводном положении. От близких разрывов бомб «Щ-320» получила незначительные повреждения приборов и механизмов. Вырубились предохранители центральной распределительной станции, вышли из строя вертикальный руль и гирокомпас. Для исправления повреждений подводной лодке пришлось некоторое время пролежать на грунте. В этот же день субмарина вышла на позицию в район Мемель — Либава (позиция № 8).
Днем 16 июня на рейде острова Макилуото восточнее маяка Порккалан-Каллбода подводная лодка обнаружила группу судов противника, стоящих на якоре. Для выхода в атаку ей предстояло сложное маневрирование по извилистому фарватеру между камнями. С дистанции 12 кбт субмарина выпустила по одному из транспортов две торпеды и через 1,5 минуты услышала взрыв. Подняв перископ, командир «Щ-320» увидел тонущий транспорт. На самом деле одна из выпущенных торпед взорвалась, не дойдя до цели, ударившись о подводные камни, а плавбазе катеров-тральщиков «MRS-12» (бывший пароход «Нюрнберг» в 5635 брт.) повезло дважды, так как 15 июня ее уже атаковала «Щ-304».
Спустя час противник обнаружил подводную лодку и начал охоту, сбросив 24 глубинных бомбы. Почти трое суток субмарина не могла как следует произвести зарядку батарей, уходя от преследования то самолетов, то катеров. По этой причине субмарина задержалась в Финском заливе на двое суток. Наконец, форсирование Финского залива было завершено, и ночью 21 июня «Щ-320» прибыла на позицию.