Vào cuối năm 1942 Hải quân Đế quốc Nhật Bản đã thấy được vấn đề rõ ràng là các tàu ngầm của họ không thể sống sót qua các trận địa chống tàu ngầm với các công nghệ mới đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng như rada, HF/DF, bộ phận bắt âm, và các loại bom chống tàu ngầm mới. Do đó, một loại tàu ngầm mới với tốc độ di chuyển khi lặn cao hơn khi nổi, lái nhanh, di chuyển một cách thầm lặng dưới mặt nước cũng như có tầm hoạt động dưới mặt nước cao hơn, thực sự cần thiết.

Chỉ huy trưởng bộ tham mưu của Hải quân Đế quốc Nhật Bản đã chính thức xác nhận về sự yêu cầu về việc đóng các tàu ngầm có tốc độ cao vào 10/1943, cùng với kế hoạch được bắt đầu thực hiện năm 1944 bắt đầu đóng vào 1945, 23 tàu ngầm có tốc độ cao (Sentaka) với các thiết kế tạm thời mang tên "tàu Số 4501-4523"

Chỉ huy trưởng bộ tham mưu của Hải quân Hoàng gia Nhật Bản cuối cùng đã ra quyết định trong Mệnh lệnh Số 295 vào ngày 29/10/1943 cho ban cơ khí hải quân. Trong đó có nói việc giảm tốc độ khi lặn của tàu từ 25 kn (46 km/h) xuống còn 20 kn (37 km/h) để có thể thực hiện các thử nghiệm trên thực tế trước. Dù sao đi nữa thì chúng vần là các tàu ngầm có tốc độ nhanh nhất trong thế chiến thứ hai hơn cả tàu ngầm Kiểu 11 của Đức.

Để có thể đáp ứng đủ các yêu cầu thì thiết kế phải có các phần sau:

• Tàu chỉ có thể có một lớp vỏ chịu lực.
• khoang dằn tàu phải được đặt cao hơn các tàu ngầm thời điểm đó để có thể đặc trọng tâm chính xác hơn và tăng độ ổn định của tàu cũng như linh hoạt hơn.
• Tạo hình dáng khí động học hơn cho vỏ chịu lực của tàu.
• Làm tháp gắn kính tiềm vọng càng nhỏ càng tốt.
• Thay vì gắn pháo thẳng vào thân tàu thì làm trên bệ để có thể rút vào/kéo ra.
• Sàn tàu phía trên làm bằng thép thay vì bằng gỗ.
• Trang bị hệ thống thông hơi dưới nước cho tàu.
• Trang bị các bánh lái ngang lớn cho tàu ở phần đuôi.

Tàu ngầm lớp I-201 trông hơi giống như loại tàu I-boat xuất hiện sớm hơn, với việc có tầm hoạt động xa và có tốc độ cao khi lặn. Tuy nhiên I-201 lại có khả năng lặn xuống rất nhanh. Nó có những nét riêng là có các mô tơ điện mạnh mẽ, toàn bộ vỏ tàu có hình dáng khí động học, và có lượng lớn khe cắm pin (ác quy) với 4.192 khe. Tốc độ tối đa của nó là 19 knot (35 km/h) gấp đôi tốc độ của tàu ngầm được thiết kế tốt nhất của Hoa Kỳ. Dù vậy tàu ngầm lớp I-201 cũng giống như các tàu ngầm của Nhật lúc đó, nó có một ống thông hơi giúp cho động cơ diesel hoạt động dưới nước trước khi động cơ điện có thể hoạt động.

Tàu ngầm lớp I-201 có lượng giãn nước 1.291 tấn khi nổi và 1.451 tấn khi lặn. Nó đã được thử nghiệm ở độ sâu tối đa là 110 m. Những con tàu này được trang bị vũ khí là ống phóng ngư lôi 533 mm và 10 quả ngư lôi Kiểu 95, hai súng chống máy bay 25 mm được gắn trên bệ có thể rút vào và kéo ra để có thể tăng hình dáng khí động học. Các thiết kế cho loại tàu này là để phục vụ cho việc sản xuất hàng loạt với phần lớn bộ phận có thể đúc tại nhà máy và sau đó mang đi lắp ráp trong công đoạn cuối cùng.