Ý tưởng chế tạo một loại tàu ngầm chạy bằng hạt nhân được khởi xưởng bởi phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân của Ross Gunn[4] trong năm 1939.

Năm 1954, Mỹ đã cho ra đời tàu USS Nautilus, tàu ngầm hạt nhân đầu tiên.[5] Nautilus có thể ở dưới nước tới 4 tháng mà không cần phải nổi lên mặt nước.

Sự khởi công tàu Nautilus đã trở nên có thể nhờ sự thành công của bộ phận đẩy hạt nhân phát triển bởi 1 nhóm các nhà khoa học và kỹ sư của Hội Hạt nhân Hải quân của Cục đóng tàu và hiệp hội Năng lượng nguyên tử của Mỹ. Trong năm 1951, Quốc hội Mỹ đã cho phép xây dựng tàu ngầm hạt nhân đầu tiên trên thế giới, dưới sự chỉ huy của Đại húy Hyman G.Rickover, USN[6]

Tập đoàn Westinghouse đảm nhiệm công việc thiết lập lò phản ứng. Sau khi hoàn thành, Mamie Eisenhower đã ăn mừng bằng một chai champagne trên mũi con tàu. Vào ngày 17/1/1955, con tàu được hạ thủy để chạy thử sau khi rời cảng Gorton, Connecicut. Tàu Nautilus có chiều dài 320 feet (98 m), chi phí tốn 55 triệu USD.

Trong thập niên 50, Liên Xô cũng đã theo Mỹ trong việc chế tạo tàu ngầm hạt nhân. Dựa trên sự phái triển của tàu Nautilus, Liên Xô tiến hành chế tạo lò phản hứng trong đầu thập niên 50 tại Viện Vật lý và Năng lượng, ở OBninsk, dưới sự chỉ huy của Ântoliy P. Alexandrov, sau này trở thành viện nghiên cứu Kurchatov. Năm 1956, bộ phận đẩy đầu tiên của Liên Xô được thiết kể bởi đội của ông cho tiến hành chạy thử. Trong khi đó, nhóm của Vladimir N. Peregudov thì chế tạo phần thân tàu.

Vượt qua mọi chướng ngại, bao gồm vấn đề về bộ phát bằng hơi nước, rò rỉ phóng xạ, và những khó khăn khác, tàu ngầm hạt nhân mang tên K-3 "Leninskiy Komsomol" của dự án 627 lớp "Kit", còn gọi là lớp November của NATO đã được đưa vào hoạt động vào Hải quân Liên Xô trong năm 1958.[7][unreliable source?]

Với năng lượng hạt nhân, việc chế tạo bộ phận đẩy cho tên lửa đạn đạo tàu ngầm chiến lược trở nên lý tưởng, nhờ đó tăng khả năng giữ dưới nước và không bị phát hiện. tàu ngầm hạt nhân với tên lửa đạn đạo chiến lược đầu tiên có tên là USS George Washington (SSBN-598) với 16 quả tên lửa Polaris A-1. Liên Xô cũng đã có một vài tàu ngầm hạt nhân trong dự án 629 (lớp Golf), và chỉ sau 1 năm, tàu ngầm K-19 của dự án 658 (lớp Hotel) đã được hoạt động lần đầu vào tháng 11-1960.[8][9]