การโจมตีเพิร์ลฮาร์เบอร์ของญี่ปุ่นเมื่อวันที่ 7 ธันวาคม 1941 ทำให้สหรัฐอเมริกาเข้าร่วมสงครามโลกครั้งที่สองหลังจากได้รับการซ่อมแซมครั้งใหญ่เสร็จสิ้น เรือS-31ก็กลับเข้าร่วมกองเรือที่นิวลอนดอนในเดือนมกราคม 1942 ในเดือนกุมภาพันธ์ 1942 เธอเดินทางกลับไปยังเขตคลองปานามา หลังจากแวะพักที่ เบอร์มูดาเธอเดินทางมาถึงโคโคโซโลประเทศปานามาในกลางเดือนกุมภาพันธ์ 1942 และทำการลาดตระเวนป้องกันทางสงครามสองครั้งในบริเวณใกล้เคียงกับคลองปานามา ครั้งแรกตั้งแต่วันที่ 10 มีนาคมถึง 31 มีนาคม 1942 และครั้งที่สองตั้งแต่วันที่ 14 เมษายนถึง 13 พฤษภาคม 1942 ในช่วงปลายเดือนพฤษภาคม 1942 เรือS-31มุ่งหน้าไปทางเหนือสู่ซานดิเอโกรัฐแคลิฟอร์เนีย เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการปฏิบัติหน้าที่ในหมู่เกาะอะลูเชียน

การรบในหมู่เกาะอะลูเชียนเริ่มต้นขึ้นในวันที่ 3 มิถุนายน 1942 ด้วยยุทธการที่ดัตช์ฮาร์เบอร์และการยึดครองเกาะอัตตูและคิสกา ของญี่ปุ่น ภายในสิ้นเดือนมิถุนายน 1942 เรือ ดำ น้ำ S-31กำลังเดินทางไปยังดินแดนอะแลสกาและในวันที่ 7 กรกฎาคม 1942 เธอได้ออกจากฐานทัพเรือดำน้ำที่ดัตช์ฮาร์เบอร์บน เกาะอามัคนาก นอกชายฝั่งอูนาลาสกา ในหมู่ เกาะอะลูเชียน เพื่อออกลาดตระเวนทางสงครามครั้งแรก โดยเคลื่อนที่ไปทางตะวันตกจากอูนาลาสกา เธอได้สำรวจ พื้นที่ เกาะอาดักจากนั้นจึงเคลื่อนตัวไปทางเหนือสู่พื้นที่ลาดตระเวนในทะเลเบริงทางเหนือของหมู่เกาะอะลูเชียน ในวันที่ 19 กรกฎาคม 1942 เธอได้รับคำสั่งให้เคลื่อนที่ไปทางตะวันตกมากขึ้น และในวันที่ 30 กรกฎาคม 1942 เธอได้ประจำการทางตะวันออกของคิสกาเพื่อสกัดกั้น เรือของ กองทัพเรือจักรวรรดิญี่ปุ่นที่กำลังเคลื่อนตัวไปยัง กองกำลัง พันธมิตรที่กำหนดไว้ว่าจะระดมยิงคิสกา การระดมยิงเกิดขึ้นในวันที่ 7 สิงหาคม 1942 ในเย็นวันถัดมา เรือดำ น้ำ S-31ก็มุ่งหน้ากลับไปยังดัตช์ฮาร์เบอร์ ระหว่างการลาดตระเวน เธอได้ประสบปัญหาทั่วไปที่เรือ S-boat ทุกลำ ที่ปฏิบัติการในบริเวณหมู่เกาะอะลูเชียนต้องเผชิญ ได้แก่ แผ่นเหล็ก โครงสร้างส่วน บนหลวม ขาดเครื่องวัดความลึกและเรดาร์ ฉนวนกันความร้อน ภายในตัวเรือ ไม่เพียงพอ และสภาพอากาศเลวร้ายสำหรับการปฏิบัติการเรือดำน้ำ เมื่อวันที่ 10 สิงหาคม 1942 ขณะที่เธออยู่ห่างจากดัตช์ฮาร์ เบอร์ 60 ไมล์ทะเล (111 กิโลเมตร; 69 ไมล์) พลุ สัญญาณฉุกเฉิน Mark X เกิดระเบิดขึ้น ทำให้ผู้บังคับการ เรือ S-31คือร้อยโทโทมัส เอฟ. วิลเลียมสัน ได้รับบาดเจ็บที่หน้าอกจนเสียชีวิต กองทัพเรือสหรัฐฯ ได้สั่งยุติการใช้พลุสัญญาณ Mark X เมื่อวันที่ 13 กรกฎาคม 1942 แต่คำสั่งนั้นยังมาไม่ถึงเรือS-31อุบัติเหตุครั้งนี้เน้นย้ำถึงความจำเป็นของกองทัพเรือสหรัฐฯในการมีเภสัชกรประจำเรือ S-boat และการสื่อสารที่ดีขึ้นระหว่างดัตช์ฮาร์เบอร์กับเรือที่ปฏิบัติการในมหาสมุทรแปซิฟิกเหนือ  

Inclement weather and sporadic communication, which resulted in two mistaken attacks on S-31 by American aircraft, provided the greatest hazards to S-31 during her fourth patrol, conducted between 26 August and 28 September 1942 in support of the occupation of Adak. For most of the patrol, she was buffeted by turbulent seas, although occasionally she encountered only choppy conditions. On 28 August, a U.S. Navy PBY Catalinaflying boat depth-charged her as she crash-dived to 125 feet (38 m) in the Pacific Ocean 30 nautical miles (56 km; 35 mi) southeast of Agattu at 51°53′N174°27′E / 51.883°N 174.450°E / 51.883; 174.450.^[1] On 30 August, poisonous chlorine gas formed when seawater driven by a 40-knot (46 mph; 74 km/h) wind entered her forward battery compartment. S-31′s crew soon detected and eliminated the poisonous gas. On 13 September, two United States Army Air ForcesP-38 Lightningfighters — misidentified by S-31′s crew as two Imperial Japanese NavyMitsubishi A6M Zero (Allied reporting name "Zeke") fighters — strafed her as she crash-dived in the Pacific Ocean 8 nautical miles (15 km; 9.2 mi) south of Adak, just west of Kagalaska Strait at 51°36′N176°26′W / 51.600°N 176.433°W / 51.600; -176.433.^[2]

ในการลาดตระเวนทางสงครามครั้งที่ 5 ซึ่งดำเนินการตั้งแต่วันที่ 13 ตุลาคมถึง 8 พฤศจิกายน 1942 เรือS-31ปฏิบัติการในหมู่เกาะคูริลเธอมาถึงที่หมายในวันที่ 20 ตุลาคม 1942 ในวันที่ 22 ตุลาคม 1942 เธออยู่บริเวณนอกชายฝั่งเกาะปารามุชิโรทางตอนเหนือสุดของหมู่เกาะคูริล และเธอลาดตระเวนเส้นทางเดินเรือในพื้นที่ปารามุชิโร- ชูมูชูจนถึงวันที่ 24 ตุลาคม 1942 จากนั้นเธอมุ่งหน้าไปยังช่องแคบโอเนโคตันและในวันที่ 25 ตุลาคม 1942 เธอลาดตระเวนในบริเวณทางเข้าด้านตะวันออกเฉียงเหนือของช่องแคบ ในเช้าวันที่ 26 ตุลาคม 1942 เธอเข้าใกล้ชายฝั่งของปารามุชิโร และเวลา 08:25 น. เธอพบเรือบรรทุกสินค้า ของญี่ปุ่นชื่อ เคอิซาน มารุขนาด 2,864 ตัน ในอ่าวโอโตมาเอะและเริ่มเข้าใกล้ เวลา 09:22 น. เธอได้ยิงตอร์ปิโด สองลูก และจม เรือ เคอิซาน มารุในบริเวณที่จอดเรือ เวลา 09:23 น. เรือ S-31เกยตื้นบนแนวปะการังเธอจึงถอยออกและแล่นต่อไป ระหว่างเวลา 09:28 น. ถึง 09:55 น. เธอเกยตื้นอีกหลายครั้งในระดับความลึกที่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องส่องทางไกล เวลา 10:00 น. เธอถึงน้ำลึกและออกจากพื้นที่ไปโดยไม่ถูกกองกำลังญี่ปุ่นไล่ตาม ในคืนนั้น เธอแล่นผ่านช่องแคบโอเนโคตัน ซึ่งลูกเรือบรรยายว่าเป็น "ทะเลที่อันตรายอย่างยิ่ง" และในวันที่ 27 ตุลาคม 1942 เธอลาดตระเวนไปตามชายฝั่งตะวันตกของเกาะพารามูชิโร ในช่วงต้นเดือนพฤศจิกายน 1942 เธอมีน้ำมันเชื้อเพลิงเหลือน้อย และในวันที่ 2 พฤศจิกายน เธอจึงมุ่งหน้าไปยังดัตช์ฮาร์เบอร์ ซึ่งเธอมาถึงในวันที่ 8 พฤศจิกายน 1942

เมื่อวันที่ 11 พฤศจิกายน 1942 เรือ S-31ออกเดินทางจากดัตช์ฮาร์เบอร์มุ่งหน้าไปยังซานดิเอโก ซึ่งเธอได้ให้บริการฝึกอบรมแก่ โรงเรียน เวสต์โคสต์ซาวด์ตั้งแต่วันที่ 27 พฤศจิกายน 1942 ถึง 3 มกราคม 1943 จากนั้นได้มีการปรับปรุงเรือและแล้วเสร็จในเดือนกุมภาพันธ์ 1943 ในช่วงปลายเดือนกุมภาพันธ์ 1943 เธอได้เคลื่อนตัวไปทางตะวันตกสู่ฮาวาย ที่นั่น ปืนใหญ่ขนาด 4 นิ้ว (102  มม.) บนดาดฟ้า ของเธอ ถูกแทนที่ด้วยปืนขนาด 3 นิ้ว (76.2  มม.) และเธอก็ได้ทำการฝึกซ้อมเพิ่มเติม

เมื่อวันที่ 11 มีนาคม 1943 เรือS-31ออกเดินทางจากเพิร์ลฮาร์เบอร์เพื่อเริ่มภารกิจลาดตระเวนทางสงครามครั้งที่หก ตั้งแต่วันที่ 23 ถึง 29 มีนาคม 1943 เธอลาดตระเวนเกาะควาจาเลนและค้นหาเส้นทางเดินเรือระหว่างควาจาเลน เกาะทรุกและวอตเจเพื่อค้นหาเรือของญี่ปุ่น เมื่อวันที่ 29 มีนาคม 1943 เธอออกเดินทางไปยังนิวแคลิโดเนียเธอข้ามเส้นศูนย์สูตรเมื่อวันที่ 2 เมษายน 1943 และมาถึงนูเมอาบนเกาะแกรนด์แตร์เมื่อวันที่ 9 เมษายน 1942 หลังจากการซ่อมแซมแปดวัน เธอทำหน้าที่เป็นเป้าหมายสำหรับการฝึกซ้อมการต่อต้านเรือดำน้ำของเรือพิฆาตตั้งแต่วันที่ 5 กรกฎาคมถึง 26 กรกฎาคม 1943 เธอได้หยุดการฝึกซ้อมชั่วคราวเพื่อออกลาดตระเวนทางสงครามครั้งที่เจ็ด ซึ่งพาเธอไปยังหมู่เกาะนิวเฮบริดีส ตอนใต้ เพื่อขนส่งและสนับสนุนทีมลาดตระเวนที่ขึ้นฝั่งบนเกาะอานีติยุมและเพื่อค้นหา เรือดำน้ำของ กองทัพเรือจักรวรรดิญี่ปุ่นที่ได้รับรายงานว่าปฏิบัติการอยู่ในพื้นที่นั้น เมื่อเธอกลับมายังนูเมอา เธอได้กลับมาฝึกซ้อมต่อและดำเนินการฝึกซ้อมต่อไปจนถึงวันที่ 20 สิงหาคม 1943

ขณะอยู่ที่นูเมอา เรือดำน้ำS-31กลายเป็นเรือดำน้ำลำแรกของกองทัพเรือสหรัฐฯ ที่ติดตั้งอุปกรณ์แสดงตำแหน่งเรือดำน้ำหรือ PPI เดิมที PPI มีไว้สำหรับเรือธงของพลเรือเอกวิลเลียม เอฟ. ฮัลซีย์คือเรือรบUSS South Dakota (BB-57)แต่ลูกเรือจากเรือดำน้ำS-31นำมาใช้เอง และพิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์อย่างมากในระหว่างการลาดตระเวนทางสงครามครั้งที่แปดของเธอ^{[ 3 ]}ในวันที่ 22 สิงหาคม พ.ศ. 2486 เธอเริ่มการลาดตระเวนทางสงครามครั้งที่แปดและครั้งสุดท้าย ซึ่งดำเนินการใน พื้นที่ ช่องแคบเซนต์จอร์จเพื่อสกัดกั้นเรือของญี่ปุ่นระหว่างราบาอูลและนิวกินีจากพื้นที่ลาดตระเวน เธอเดินทางต่อไปยังบริสเบนประเทศออสเตรเลียด้วยประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นจากการใช้ PPI กองทัพเรือสหรัฐฯ จึงเร่งการผลิต PPI เพื่อแจกจ่ายให้กับกองเรือดำน้ำที่เหลือ^{[ 4 ]}  

หลังจากได้รับการซ่อมบำรุงครั้งใหญ่ที่บริสเบน เรือดำน้ำS-31กลับไปยังพื้นที่นิวแคลิโดเนีย-นิวเฮบริดีสในช่วงต้นเดือนธันวาคม ปี 1944 ที่นั่น เธอได้กลับมาปฏิบัติหน้าที่ฝึกการต่อต้านเรือดำน้ำอีกครั้ง ซึ่งเธอได้ปฏิบัติต่อเนื่องจนถึงเดือนกรกฎาคม ปี 1944 เมื่อเธอได้รับคำสั่งให้ไปยังแคลิฟอร์เนีย เธอเดินทางถึงซานดิเอโกในช่วงต้นเดือนสิงหาคม ปี 1944 เพื่อทำการซ่อมบำรุงครั้งใหญ่ ซึ่งเสร็จสิ้นในเดือนพฤศจิกายน ปี 1944 จากนั้นเธอก็ได้ให้บริการฝึกอบรมเรือดำน้ำและระบบเสียงแก่ หน่วยบัญชาการฝึกอบรม ชายฝั่งตะวันตกของสหรัฐอเมริกาการสู้รบสิ้นสุดลงในช่วงกลางเดือนสิงหาคม ปี 1945 และในเดือนกันยายน ปี 1945 เรือดำน้ำS-31ได้เดินทางไปยังซานฟรานซิสโกเพื่อทำการปลดประจำการ เธอถูกปลดประจำการอย่างเป็นทางการในวันที่ 19 ตุลาคม ปี 1945