太平洋戦争開戦時は第六艦隊第1潜水戦隊第3潜水隊に所属。11月20日0400、伊23は横須賀を出港し、23日に単冠湾に到着。26日、第一航空艦隊と共に単冠湾を出港し、ハワイへ向かった。30日、右舷ディーゼルの不調により艦隊から後落したが、12月6日に復帰。空母赤城と発光信号で連絡を取り合った。8日の真珠湾攻撃では被弾した味方機の誘導を行い、1040に艦隊と分離し、ハワイ北方沖に進出。9日、カウアイ島南方沖を哨戒中、伊6がオアフ島沖を東北東へ向け航行中のレキシントン級空母1、巡洋艦2隻を発見したため、迎撃に向かった。10日、哨戒機を発見して急速潜航した際、安全潜航深度を超える水深120mの位置まで誤って潜航してしまう。11日、アメリカ西海岸沿岸における通商破壊作戦に参加するためモントレー湾沖に移動。19日1800、モントレー湾近海で潜航中、南方へ向かう旧式の軽巡洋艦を発見して攻撃準備を行うが、途中で見失う。20日1415、のカリフォルニア州サイプレス岬沖20浬地点付近で、米リッチフィールド・オイル社タンカーアグウィワールド（Agwiworld、6,711トン）を発見して主砲弾14発を発射したが、海上が時化ていたため命中しなかった。22日、パルミラ環礁に移動。26日夜、船のサーチライトを発見して1時間追跡したが、米哨戒機がやってきたため潜航して退避した。28日、米哨戒機3機に発見されて追跡されたが、振り切ることに成功。1942年（昭和17年）1月1日夜、パルミラ環礁を潜望鏡偵察するが、陸上からの砲撃を受けて退避。2日、ハワイとフィジー諸島の中間点に移動。1月5日、哨戒区域を離れ、クェゼリンに戻った。2月1日、クェゼリンはマーシャル・ギルバート諸島機動空襲を受ける。特設潜水母艦靖国丸（日本郵船、11,933トン）と伊26に挟まれて停泊していた伊23はデッキの荷物を海に投棄し、応戦を開始。その後靖国丸に爆弾が命中した際、爆弾の破片により乗員1名が負傷した。また、搭載機用燃料タンクから小火災が発生したが、すぐに消し止められた。その後迎撃に向かったが空振りに終わり、クェゼリンに戻った。