Điểm khác biệt chính giữa tàu ngầm hạt nhân loại thường và loại hạt nhân là ở hệ thống phát năng lượng. Tàu ngầm hạt nhân sử dụng lò phản ứng hạt nhân cho việc phát năng lượng. Các lò phản ứng còn có thể cung cấp điện cho motor điện nối với chân vịt hoặc sử dụng phản ứng tỏa nhiệt để sản xuất hơi nước, phục vụ cho việc quay turbine hơi nước. Các lò phản ứng sử dụng nhiên liệu đã được làm giàu uranium 235 (thường hơn 20%), nhờ đó mà sẽ sản sinh ra một lượng công suất khổng lồ, giúp cho tàu ngầm hạt nhân có thể vận hành trong thời gian dài - điều mà khó có thể thực hiện do vị trí của lò phản ứng có thể nguy hiểm vì áp suất lớn của thân tàu.

Lò phản ứng hạt nhân cũng có thể cung cấp nguồn cho các hệ thống ngầm khác, như là cân bằng dưỡng khí, sản xuất nước uống bằng việc bỏ muối từ nước biể̀n, điều chỉnh áp suát và vân vân. Tất cả các lò của hải quân hiện tại đều vận hành với máy phát diesel và hệ thống khôi phục nguồn. Những động cơ này có khả năng cung cấp nguồn điện khẩn cấp phòng khi lò quá tải nhiệt, cũng như là đủ điện cung cấp cho bộ phận đẩy bằng cơ học. tàu ngầm hạt nhân có thể vận hành tới 30 năm khi mang nhiên liệu hạt nhân. Trở ngại duy nhất làm giới hạn thời gian ở dưới nước của tàu ngầm hạt nhân là sự cung cấp thức ăn và bảo trì thân tàu.

Điểm yếu của tàu ngầm hạt nhân khi sử dụng công nghệ tàng hình là phải làm mát lò khi tàu không di chuyển; khoảng tới 70% lượng nhiệt từ lò thoát ra và truyền vào nước biển. Điều này sẽ tạo nên "vùng dậy sóng nhiệt", một lượng nước ấm có mật độ thấp nổi lên trên bề mặt biển. Do đó sẽ tạo nên "vết nhiệt" mà có thể quan sát được nhờ hệ thống dò ảnh nhiệt, ví dụ FLIR chẳng hạn.[12] Một vấn đề khác đó là lò phản ứng chạy thường xuyên, do đó tạo nên tiếng hơi nước và rất dễ bị phát hiện bởi SONAR, và bơm phản ứng (dùng cho chu trình tải nhiệt) cũng sẽ tạo ra tiếng động, trái ngược với tàu ngầm thông thường, có thể chạy một cách tĩnh lặng với motor điện.[citation needed]