К началу Великой Отечественной войны 22 июня 1941 года были сданы и находились на вооружении 6 лодок серии: К-1, К-2, К-3, К-21, К-22 и К-23. Ещё четыре лодки: К-51, К-52, К-53 и К-56, были введены в строй в 1942—1943 годах, а К-55 вступила в строй 25 декабря 1944 года и в боевых действиях принять участия не успела.  Из 11 построенных лодок к концу войны уцелело 6.

Серия подводных лодок официально именовалась «Крейсерской», однако на флоте эти подлодки получили неофициальное прозвище «Катюши», а еще их называли «рыцарями дальних коммуникаций». Эти субмарины стали самыми крупными подводными лодками советского ВМФ Великой Отечественной войны. Большие, вместительные и мощные, лодки типа К предназначались для проведения длительных и дальних автономных походов, боевых действий в одиночку на коммуникациях противника.

Гвардейского звания была удостоена подлодка К-22. В декабре 1941 г. эта лодка под командованием капитана 3 ранга В.Н.Котельникова поставила минные заграждения в проливе Рольвсесунд, ведущем к порту Гаммерфест,- на минах подорвался транспорт «Штейнбек». Затем артиллерией было уничтожено судно «Вейдинген». В следующем походе, 19 января 1942 года, лодка В.Н.Котельникова в бухте Берлевог поразила торпедой транспорт «Мимона», расстреляла артиллерией охранявший его сторожевой корабль пароход «Вааланд».

Еще одно достижение числится за К-21 под командованием Героя Советского Союза капитана 2 ранга Н.А.Лунина, которая в годы войны стала единственной советской субмариной, атаковавшей 5 июля 1942 г. боевой корабль размерами крупнее эсминца – мощнейший германский линкор «Тирпиц». Субмарина К-21 была награждена орденом Красного Знамени, сегодня она как мемориал поставлена на вечную стоянку в Кольском заливе.

Подводные лодки типа К за годы войны выполнили 62 торпедные атаки, выпустив 183 торпеды и выставили 399 мин. Список подтверждённых побед подводных лодок типа К включает 25 потопленных и 6 повреждённых кораблей и судов. Лодками этого типа было потоплено 13 транспортов (26 072 брт), 3 траулера (1 164 брт), 2 сторожевых корабля, 3 больших охотника, 4 мотобота и повреждено 2 транспорта (15 979 брт), 1 тральщик, 3 мотобота.