Как подводник Н. Малышев начал службу на подводных лодках американского типа «АГ», которые были закуплены у фирмы Гогланда (г. Ванкувер, США) еще в 1916 г. После революции 1917 г. они долго лежали в ящиках на Николаевской судоверфи. Лишь в начале двадцатых годов эти лодки были собраны и вступили в строй морских сил Черного моря. Лодки имели водоизмещение 355,7 т, длину 45,8 м, ширину 4,81, скорость хода 13 узлов в надводном и 10,5 (фактически 7–9) в подводном. Лодка могла проплыть в надводном положении 1750 миль, а в подводном — всего 25 миль. За 1 минуту она погружалась на глубину 50 м. На вооружении 4 носовых торпедных аппарата. Экипаж «Агэшки» составлял 29 человек, из них 5 — командирский состав. На этих лодках Малышев последовательно, за довольно короткий срок, прошел должности старшего штурмана, помощника командира и командира.
Столь быстрому карьерному росту молодого офицера способствовало несколько обстоятельств. Это и ввод в строй новых подводных лодок, на которые уходили со старых более опытные подводники, а также политические репрессии 1937–1939 гг., которые затронули и флот. Так, на А-4, в бытность службы на ней Н. Малышева, в 1938 г. был уволен штурман Л.Е. Лернер. Причиной увольнения стало то обстоятельство, что его отец имел пивную лавку с наемной рабочей силой, а сам он хвалил материальное положение офицеров царского флота.
К началу войны лодка A-З, которой командовал Малышев, числилась во второй линии и находилась в Севастополе на капитальном ремонте. К 1 июля ремонт был закончен. 3 июля она перешла на место постоянного базирования в город Поти. Последовало несколько боевых выходов в дозор юго-восточнее Поти, но все они проходили без встреч с противником. 5 ноября 1941 г. после очередного возвращения на базу A-З требовалось докование и текущий ремонт, но заняться им Малышеву не довелось. Спустя два дня в Очемчири в результате неправильного обращения с оружием командир П/1
Лодка
При возвращении с позиции 6 декабря 1941 г. из-за Ошибки в счислении в условиях сильного шторма лодка прочно села на мель в районе устья реки Гагида. Кормовая часть лодки, вертикальный и кормовые горизонтальные рули получили сильные повреждения. Лишь 17 декабря она была снята с мели аварийно-спасательным судном и отбуксирована в Поти. Начался аварийный ремонт. Остро переживая неудачу, Малышев и старший техник-лейтенант Прокофьев вместе с другими моряками самоотверженно помогали рабочим в ведении ремонтных работ. Ремонт длился около полугода.
15 июня 1942 г. лодка перешла в Очамчире, 4 июля — в Поти, 7 июля — обратно в Очамчире, 30–31 июля — в Туапсе.