Tau` ngầm Diesel/điện di chuyển bằng động cơ Diesel trên mặt biển, đồng thời máy này sinh điện cho các bình tích điện để dùng lúc lặn dưới nước. Nhược điểm của hệ thống diesel/điện là tàu bắt buộc phải ở trên mặt biển để chạy máy nổ và không thể hoạt động xa vì mau hết điện nhất là nếu di chuyển với vận tốc cao dưới nước.

USS Nautilus của Hải quân Hoa Kỳ, năm 1954 khởi đầu cho thế hệ tàu ngầm nguyên tử. Lò phản ứng nguyên tử không cần dùng đến không khí, tạo ra nhiệt lượng cần thiết cho những tuabin hơi và tránh được nhu cầu phải thường xuyên nổi lên mặt biển. Tàu có thể ở một thời gian rất dài dưới mặt nước và chạy với vận tốc cao trên một hải trình dài hầu như vô tận. Hạn chế duy nhất của tàu ngầm là tiếp tế lương thực, và cho thủy thủ đoàn nghỉ ngơi hay được thay thế trong khoảng 3 tháng. Không cần đến sự tiếp tế nhiên liệu nhưng trung bình sau 25 năm, lò phản ứng nguyên tử cần được thay thế hoặc lấy đi chất thải và lấy nguyên liệu mới.

Từ 1958, Liên Xô hạ thủy chiếc tàu ngầm nguyên tử đầu tiên nhưng thế hệ tàu K-19 lúc đó đã gặp rất nhiều vấn đề, từ trục trặc kỹ thuật đến tai nạn phóng xạ của lò nguyên tử. Ðến năm 1962, những tàu ngầm nguyên tử của Nga mới hoàn chỉnh và bắt đầu có tàu phóng hỏa tiễn chiến lược. Các tàu ngầm nguyên tử của hai phía Thế giới Tư bản và Cộng sản đã phát triển qua nhiều thế hệ, bao gồm cả loại tàu chiến thuật cũng như chiến lược, được coi như sản phẩm đặc biệt của Chiến tranh Lạnh.

Trong Chiến tranh Lạnh, lực lượng tàu ngầm nguyên tử là một trong 3 phương tiện của sức mạnh tấn công bằng vũ khí hạt nhân cùng với hỏa tiễn liên lục địa đặt trong hầm và máy bay oanh tạc tầm xa. Hỏa tiễn đặt trong hầm hay trên xe di chuyển là những mục tiêu khá dễ dàng để đối phương có thể theo dõi thường xuyên và máy bay cũng dễ bị phát hiện. Còn tàu ngầm nguyên tử chiến lược đi dưới mặt nước nhiều tháng khắp các đại dương rất khó biết đang ở nơi đâu và bất cứ lúc nào cũng có thể phóng đi một loạt hỏa tiễn mang đầu đạn hạt nhân tấn công mục tiêu mà không cần phải đến gần. Vào thời kỳ cao điểm Hoa Kỳ có 41 tàu ngầm phóng hỏa tiễn chiến lược rải rác thường trực ở các đại dương, được gọi là "41 cho Tự do".

Kể từ tàu ngầm Nautilus năm 1954, Hoa Kỳ đã chế tạo 4 thế hệ tàu ngầm nguyên tử, bao gồm thế hệ thứ hai, tàu ngầm hạng Skipjack, George Washington và Sturgeon; thế hệ thứ ba, tàu ngầm xung kích hạng Los Angeles và tàu ngầm chiến lược hạng Ohio; thế hệ thứ tư, tàu ngầm hạng Seawolf và mới nhất là hạng Virginia, tàu ngầm xung kích chiều dài 115 mét, lượng rẽ nước 7.900 tấn.