24 липня Щ-307 вирушив у перший бойовий похід з Талліна в район Лібави. Увечері 10 серпня в 20 милях на північний захід від острова Даго був виявлений німецький підводний човен у надводному положенні. О 22:12 Щ-307 дав залп з 2 кормових торпедних апаратів з дистанції в 3 кабельтові. Підводний човен U-144 був уражений торпедами та затонув з усім екіпажем (28 осіб). Це була перша підтверджена перемога радянських підводників у війні.
Загалом за час німецько-радянської війни Щ-307 діяв в акваторії Балтійського моря, здійснив 4 бойових походи (126 діб), провів 11 торпедних атак у результаті яких потоплено 3 судна (6541 БРТ) і 1 корабель, крім того можливо потоплено ще 3 судна та пошкоджено 3.
6 березня 1945 року Щ-307 нагороджено орденом Червоного Прапора, а його командир Калінін М. С. отримав зірку Героя Радянського Союзу.
23 квітня 1948 року Щ-307 виведено з бойового складу флоту, роззброєно і переформовано на плавучу зарядову станцію ПЗС-5. 8 квітня 1957 року виключено зі списків плавзасобів ВМФ СРСР і здано на брухт.
Рубка Щ-307 встановлена біля Меморіалу на Поклонній горі в Москві.
А. В. Платонов. Энциклопедия советских подводных лодок 1941—1945. — М.: АСТ, 2004. — 592 с. — 3000 экз. — ISBN 5-17-024904-7.(рос.)
Морозов М. Э., Кулагин К. Л. «Щуки». Легенды Советского подводного флота. — М.: Яуза, Эксмо, 2008. — 176 с. — (Арсенал коллекция). — ISBN 978-5-699-25285-5.
Петров Н. И. Первый боевой поход подводной лодки Щ-307 «Треска» // Тайны подводной войны — 21. Малоизвестные страницы подводной войны XX века. — Львов, 2006 — С. 49-50.