В Либаве уже были немцы, поэтому из похода «Л-3» возвращалась в Таллин, куда подводная лодка прибыла 5 июля. (По воспоминаниям Грищенко, 9 июля.)
В полдень 15 июля «Л-3» в паре с «С-8», имея на буксире по три торпедных катера, вышли из Таллина и под эскортом тральщиков взяли курс в Балтийское море. В районе мыса Ристна подводная лодка пошла самостоятельно. Целью второго похода «Л-3» являлась Данцигская бухта, где подводная лодка должна была выставить минное заграждение.
Утром 19 сентября севернее мыса Брюстерорт субмарина выставила 20 мин прямо в кильватер немецких тральщиков. Вечером этого же дня в направлении минного заграждения на «Л-3» услышали сильный взрыв, а спустя 40 минут взрывы глубинных бомб. Так как упоминающийся в качестве минного успеха «Л-3» финский транспорт «Цисиль» (1847 брт.), скорее всего, погиб 23 августа 1941 года на германской мине, причина взрывов пока неясна. По германским данным, это заграждение было случайно обнаружено в апреле 1942 года. Продолжая оставаться в Данцигской бухте, «Л-3» приступила к поиску объектов для торпедной атаки, но таковых обнаружено не было, зато сама субмарина стала объектом охоты, 24 июля подвергшись безрезультатной атаке вражеского самолета.
27 июля «Л-3» получила приказ о возвращении в базу. Вечером этого же дня подводная лодка была обнаружена немецкими тральщиками из состава 31-й флотилии, которые всю ночь преследовали субмарину. От разрывов глубинных бомб на «Л-3» разошлись швы топливной цистерны, нарушилась расклинка батарей, аккумуляторную яму начало заливать соляром. Оторвавшись от преследования, днем 30 июля «Л-3, в районе мыса Ристна была встречена советскими тральщиками и под их эскортом сопровождена в Триги. На переходе подводная лодка села на мель и повредила рули. 31 июля «Л-3» прибыла в Таллин, откуда в сопровождении тральщиков и минного заградителя «Марти» перешла в Кронштадт.
После небольшого ремонта в сентябре «Л-3» стали готовить к прорыву на Север через Датские проливы, но, к счастью, операцию отменили. Опасаясь прорыва немецких кораблей к Ленинграду, советское командование выделило часть подводных лодок для охраны подступав к Кронштадту. В конце сентября «Л-3» поступила в распоряжение командира передового отряда КБФ и перешла к острову Гогланд, где вечером 1 октября безуспешно атакована финскими торпедными катерами «Сису» и «Вуоли» на рейде в бухте Сууркюля. Катера прорвались благодаря халатности коменданта островного района. К счастью, выпущенные ими торпеды в цель не попали и взорвались в 15 м от субмарины. «Л-3» открыла ответный огонь. По свидетельству П. Д. Грищенко, один из снарядов, выпущенный с лодки, попал в машинное отделение торпеды одного из катеров, убив его командира. Финны, в свою очередь, заявили о потоплении своими торпедными катерами в районе Гогланда двух советских тральщиков. 16 октября во время шторма от ударов о борт «Щ-310» «Л-3» получила повреждения топливных и балластных цистерн и через два дня вернулась в Кронштадт.
В ноябре «Л-3» прошла докование, затем произвела ремонт, а всю первую блокадную зиму провела в Ленинграде у борта плавбазы «Иртыш».
С весны 1942 года подводная лодка находилась к готовности к боевому походу, но выход был отложен сначала из-за отсутствия кораблей обеспечения, затем «Л-3» была задержана до развертывания субмарин второго эшелона.
10 августа 1942 года подводная лодка перешла на Лавенсари, а 12 августа вышла в район западнее острова Борнхольм (позиция № 1). На борту субмарины находился известный писатель-маринист Александр Ильич Зонин. Вечером 14 августа «Л-3» форсировала Финский залив, но на сутки задержалась в районе острова Богшер, проводя тренировку личного состава. (По свидетельству П. Д. Грищенко, лодка отрабатывала торпедные атаки по транспорту, выбросившемуся на берег при уклонении от атаки «Щ-406».) 18 августа у мыса Эландс Норраудде (северная оконечность Эланда) «Л-3» вышла в свою первую торпедную атаку на транспорт из состава конвоя. Видимо, тренировка не прошла даром, и обе выпущенные торпеды попали в цель, отправив на дно шведский транспорт «К. Ф. Лильевальш» (5513 брт.), шедший в Германию с грузом железной руды, который Грищенко определил как танкер в 15 000 тонн. На судне погибло 33 человека, в том числе капитан Эрнст И. Ф. Брамфорд и лоцман. Семь человек из его экипажа спасены шлюпкой, спущенной с другого судна. После выпуска торпед лодку выбросило на поверхность, и охраняющие конвой шведские эсминцы «Норденшельд» и «Норчёпинг» контратаковали субмарину, сбросив на нее 42 глубинные бомбы, от взрывов которых «Л-3» получила незначительные повреждения.
После атаки подводная лодка ушла к Готланду, где 21–22 августа провела поиск судов вдоль его восточного побережья, но ничего, кроме шведских рыболовных шхун, обнаружено не было. С одной из них «Л-3» чуть было не столкнулась. Досмотрев судно, шведов отпустили.
Днем 23 августа в районе Карлскроны подводная лодка была обнаружена шведским миноносцем. Чтобы оторваться от преследования, на «Л-3» не запускалась издающий сильный шум помпа, для сбережения заряда аккумуляторов горячей пищи не готовили.
24 августа субмарина прибыла в район минной постановки. Тщательно разведав фарватеры, «Л-3» 25 августа выставила 6 мин в районе Треллеборга. Якорь седьмой мины не вышел из трубы, и в течение получаса мина буксировалась подводной лодкой. Все же «Л-3» сумела завершить минную постановку, выставив еще две минные банки (по 4 и 9 мин). Результатом этого заграждения стала гибель германских парусно-моторной шхун «Вальтер» (177 брт.) и «Ф. Бомке» (бывшая голландская «Флидервеен», 210 брт., в июле 1943 года поднята и введена в строй), 28 августа и 25 сентября соответственно, причем на первой погибло 5 человек. Многие источники относят к минным успехам «Л-3» германские подводные лодки «U-416» и «U-446». Гибель этих субмарин к минам «Фрунзовца» не имеет никакого отношения. «U-416» подорвалась в 50 милях восточнее минного заграждения «Л-3» у острова Борнхольм, на британской авиационной донной мине 30 марта 1943 года. Субмарина не затонула, а приведена в Штеттин и после ремонта вновь введена в строй в качестве учебной. «U-446» погибла на английской авиационной донной мине 21 сентября 1942 года в Данцигском заливе у Кольберга.
На исходе 26 августа «Л-3» обнаружила конвой и четырьмя торпедами атаковала два транспорта из его состава. С борта подводной лодки наблюдали попадания в оба транспорта и пожары на них, но данных со стороны противника, подтверждающих успех «Л-3», пока нет.
27 августа субмарина переместилась в район южнее острова Эланд, где была заменена лопнувшая крышка правого дизеля. Вечером 1 сентября юга-восточнее маяка Эланд-Седра-Удде «Л-3» атаковала миноносец типа «Фальке» и, хотя на лодке слышали взрыв, в данное время и данном месте Германия не теряла кораблей этого класса. Спустя 20 минут «Л-3» вновь атакует. На этот раз торпеды были выпущены по транспортам из состава конвоя. Спустя 12 минут командир субмарины наблюдал в перископ, что одно судно тонет, а второе стоит без хода, но зарубежных данных о результатах этой атаки нет.
Утром 3 сентября «Л-3» начала возвращение на базу и в ночь на 5 сентября приступила к форсированию Финского залива. Возвращение давалось нелегко. Четырежды над лодкой гремели взрывы вражеских мин, нанеся кораблю незначительные повреждения корпуса и механизмов. Счастливо преодолев противолодочный барраж противника, в ночь на 9 сентября «Л-3» прибыла на Лавенсари, откуда перешла в Кронштадт.
