W momencie wybuchu II wojny światowej okręt pełnił służbę na Morzu Śródziemnym, wchodząc w skład 13. dywizjonu 5. eskadry 1. Flotylli okrętów podwodnych stacjonującej w Tulonie. Dowódcą jednostki był w tym okresie kpt. mar. J.E.L. Lefeuvre. W końcu 1939 roku okręt był remontowany w Tulonie. 28 marca 1940 roku „Thétis” (wraz z bliźniaczymi „Circé”, „Calypso” i „Doris”) wyszła z Oranu w konwoju 17-R, udając się przez Cieśninę Gibraltarską do Brestu. Następnie jednostki udały się do Harwich, by wspomóc Brytyjczyków w kampanii norweskiej („Thétis” przybyła do portu w dniu 19 kwietnia). 24 kwietnia okręt wyszedł na pierwszy patrol. W końcu kwietnia 1940 roku okręt udał się na patrol pod Texel, wracając do Harwich w dniu 7 maja. 10 maja jednostka wyszła na kolejny patrol, tym razem w rejon między Lowestoft a Great Yarmouth. 16 maja jednostka ponownie wyszła na patrol, nawiązując 18 maja kontakt z brytyjskim okrętem podwodnym HMS „Spearfish”. 25 maja „Thétis” wraz z „Circé” i okrętem-bazą okrętów podwodnych „Jules Verne” wyszły z Rosyth do Dundee, które osiągnęły bezpiecznie wieczorem (w morzu do mini-konwoju dołączyła jeszcze „Calypso”). 4 czerwca jednostka (wraz z innymi francuskimi okrętami podwodnymi) udała się w rejs powrotny do Francji. Po przybyciu do Brestu okręt był remontowany w tamtejszej stoczni. 18 czerwca, wobec zbliżania się wojsk niemieckich do portu w Breście, „Thétis” ewakuowała się do Casablanki (razem z okrętami podwodnymi „Casabianca”, „Sfax”, „Poncelet”, „Persée”, „Ajax”, „Circé”, „Calypso”, „Méduse”, „La Sibylle”, „Amazone”, „Antiope”, „Orphée” i „Amphitrite”). Po zawarciu zawieszenia broni między Francją a Niemcami okręt znalazł się pod kontrolą rządu Vichy. 27 listopada 1942 roku, podczas ataku Niemców na Tulon, jednostka została samozatopiona.