24 июня 1941 года вышла из Усть-Двинска и заняла позицию между островом Борнхольм и Карлскруной. За время патрулирования не обнаруживала судов противника. 10 июля прибыла в Триги, откуда перешла в Кронштадт для прохождения текущего ремонта. 6 августа отправилась к Данцигу, за время патрулирования произвела безрезультатную атаку одиночной торпедой. 24 августа прибыла в Таллин. Во время прорыва кораблей Балтийского флота последней из подводных лодок покинула порт, шла в основной группе боевых кораблей, сразу за крейсером «Киров». 28 августа в районе мыса Юминда на плотном минном поле в борт «С-5» попала плавающая мина, в результате взрыва которой сдетонировал артиллерийский боезапас лодки и она быстро затонула. Из находившихся на лодке спаслись 9 человек, которых подняли из воды тральщики и катера. В числе спасённых оказались командир 1-й БрПЛ капитан 1-го ранга Н. П. Египко и командир лодки капитан 3-го ранга А. А. Бащенко. В числе погибших был командир 3-го ДиПЛ капитан 3-го ранга А. К. Аверочкин.