В первые дни Великой Отечественной войны подлодка М-96 под командованием Маринеско была перебазирована в Палдиски, затем в Таллин, стояла на позиции в Рижском заливе, столкновений с противником не имела. В августе 1941 года подлодку планировали перебросить на Каспийское море в качестве учебной, затем от этой идеи отказались. 

В октябре 1941 года Маринеско исключили из кандидатов в члены ВКП(б) за пьянство и организацию в дивизионе ПЛ азартных карточных игр (комиссар дивизиона, допустивший подобное, получил десять лет лагерей с отсрочкой исполнения приговора и был направлен на фронт). 

14 февраля 1942 года подлодка во время обстрела была повреждена артиллерийским снарядом, ремонт занял полгода. Лишь 12 августа 1942 года М-96 вышла в очередной боевой поход. 14 августа 1942 года лодка атаковала немецкий конвой, состоявший из трех транспортов в охранении двух тяжёлых плавбатарей. По докладу Маринеско, он выпустил две торпеды по немецкому транспорту, результатов атаки не наблюдал, слышал сильный взрыв, интерпретированный как результат попадания торпеды, в результате лодке было засчитано потопление транспорта. Согласно немецким источникам, атака была неудачной  —  корабли конвоя наблюдали след одной торпеды, от которой успешно уклонились, а затем безрезультатно атаковали подводную лодку артиллерией и глубинными бомбами. Возвращаясь с позиции раньше срока (заканчивались топливо и патроны для регенерации воздуха), Маринеско не предупредил советские дозоры, а при всплытии не поднял военно-морской флаг, в результате чего лодку едва не потопили собственные катера.

В ноябре 1942 года М-96 вышла в Нарвский залив для высадки группы разведчиков для операции по захвату шифровальной машины «Энигма» в штабе немецкого полка. Но шифровальной машины в нём не оказалось. Тем не менее, действия командира на позиции оценили высоко, и Маринеско наградили орденом Ленина. В конце 1942 года Маринеско было присвоено звание капитана 3-го ранга, его снова приняли кандидатом в члены ВКП(б), но в хорошей в целом боевой характеристике за 1942 год командир дивизиона капитан 3-го ранга Сидоренко всё же отметил, что его подчинённый «на берегу склонен к частым выпивкам».

В апреле 1943 года Маринеско назначен командиром ПЛ С-13, на которой он прослужил до сентября 1945 года. В 1943 году С-13 в боевые походы не выходила, а командир попал в очередную «пьяную» историю. В поход подлодка под его командованием вышла только в октябре 1944 года. В первые же сутки похода, 9 октября, Маринеско обнаружил и атаковал транспорт «Зигфрид» (553 брт). Атака четырьмя торпедами с небольшой дистанции не удалась, по транспорту пришлось вести артиллерийский огонь из 45-мм и 100-мм орудий подлодки. По наблюдению командира, в результате попаданий корабль (водоизмещение которого Маринеско в докладе завысил до 5000 тонн) начал быстро погружаться в воду. В действительности, повреждённый германский транспорт был позднее отбуксирован противником в Данциг и к весне 1945 года восстановлен. За данный поход Маринеско получил орден Красного Знамени.

С  9 января по 15 февраля 1945 года Маринеско находился в своём пятом боевом походе, в течение которого были потоплены два крупных транспорта противника — «Вильгельм Густлофф» и «Штойбен». Перед этим походом командующий Балтийским флотом В. Ф. Трибуц решил предать Маринеско суду военного трибунала за самовольное оставление корабля в боевой обстановке (в предновогоднюю ночь командир на двое суток покинул корабль, экипаж которого за это время «отличился» выяснением отношений с местным населением), но исполнение этого решения задержал, дав возможность командиру и экипажу искупить вину в боевом походе. Таким образом, С-13 стала единственной «штрафной» подлодкой советского флота.

30 января 1945 года С-13 атаковала и отправила на дно лайнер «Вильгельм Густлофф» (25 484 брт), на котором находилось 10 582 человека: 918 курсантов младших групп 2-го учебного дивизиона подводных лодок, 173 члена экипажа судна, 373 женщины из состава вспомогательного морского корпуса, 162 тяжелораненых военнослужащих и 8956 беженцев, в основном стариков, женщин и детей. Транспорт, бывший океанский лайнер «Вильгельм Густлофф», шёл без конвоя (торпедолов учебной флотилии TF-19 вернулся в порт Готенхафен, получив повреждение корпуса при столкновении с камнем, в сопровождении второго судна из состава приданного «Густлову» эскорта — лёгкого миноносца «Löwe».) Из-за нехватки топлива лайнер шёл прямым курсом, без выполнения противолодочного зигзага, а повреждения корпуса, полученные ранее при бомбардировках, не позволяли развить ему большую скорость (корабль шёл на скорости всего 12 узлов).

Ранее считалось, что немецким ВМС был нанесён серьёзный урон. Так, по свидетельству журнала «Марине» (1975, № 2-5, 7-11, ФРГ), с кораблём погибли 1300 подводников, среди которых находились полностью сформированные экипажи подводных лодок и их командиры. По мнению командира дивизиона капитана 1 ранга А. Орла, погибших немецких подводников хватило бы для укомплектования 70 ПЛ среднего тоннажа. Впоследствии советская печать потопление «Вильгельма Густлоффа» назвала «атакой века», а Маринеско — «подводником № 1», что не совсем обоснованно (подводники других стран топили значительно более крупные корабли, в том числе и боевые, например, американская подводная лодка «Арчерфиш» уничтожила японский авианосец «Синано» водоизмещением 71 890 брт, а немецкая лодка U-47 14 октября 1939 потопила английский линкор «RoyalOak» водоизмещением 29 150 брт прямо в гавани Скапа-Флоу).

По современным данным,  с «Густлоффом» погибло 4850 человек, из них 406 матросов и офицеров 2-й учебной дивизии подводных сил, 90 членов собственного экипажа, 250 женщин-военнослужащих немецкого флота и 4600 беженцев и раненых (из них почти 3 тыс. детей). Существуют и иные оценки численности жертв, вплоть до 9343 человек. Из числа подводников погибло 16 офицеров (в том числе 8 медицинской службы), остальные – малообученные курсанты, нуждавшиеся ещё, как минимум, в полугодичном курсе подготовки.

«Вильгельм Густлофф» был крупнейшим по тоннажу теплоходом, потопленным советскими подводниками, и вторым по числу жертв (лидирует теплоход «Гойя», потопленный 16 апреля 1945 года подводной лодкой «Л-3»; на нём погибло около 7000 человек).

- медаль «Золотая Звезда» Героя Советского Союза  (1990, посмертно),

- 2 ордена Ленина (1942, 1990),

- 2 ордена Красного Знамени,

- медаль «За боевые заслуги»,

- медаль «За оборону Ленинграда»,

- медаль «За победу над Германией в Великой Отечественной войне 1941—1945 гг.»,

- медаль «В память 250-летия Ленинграда».