Эра атомоходов началась 17 января 1955 года, когда с борта американской подводной лодки «Наутилус» было передано сообщение: «Следую на атомной энергии».
Незамедлительно США совместно со странами НАТО начали создавать глобальную ракетно-ядерную систему. Уже в 1959 году вошли в строй атомный подводный ракетоносец «Джордж Вашингтон» и ПЛА «Скипджек» — головные основных подклассов ПЛ: подводных ракетоносцев и многоцелевых торпедных подводных лодок. В этих условиях перед подводными силами ВМФ были поставлены качественно новые задачи — уничтожение атомных ракетоносцев противника с целью предупреждения нанесения ими ракетно-ядерного удара по нашей территории, нанесение ответных ракетно-ядерных ударов по его стратегическим объектам, разгром его авианосных и других крупных группировок надводных кораблей, а также противолодочных сил, десантных отрядов и конвоев в океане и базах. Это определило назначение новых подводных лодок, характер поставленных перед ними задач и общую тенденцию развития подводных сил ВМФ.
Примерно с середины 50-х годов в нашей стране было положено начало новому этапу в развитии ВМФ — созданию океанского ракетно-ядерного флота и, прежде всего, строительству атомных торпедных, а затем ракетных подводных лодок и морских ракетно-ядерных систем стратегического назначения.
Процесс проектирования и строительства первых атомных подводных лодок сопровождался большими трудностями. Ни конструкторы (как подводных лодок, так и оборудования), ни военные моряки не представляли в полном объеме всех особенностей, которые определялись принципиально новой энергетикой. Многому пришлось учиться, и многие привычные для подводников организационные структуры, приемы борьбы за живучесть потребовалось пересмотреть.
Радиационная опасность осознавалась с трудом. К сожалению, не обошлось и без тяжелых аварий, которые принесли человеческие жертвы. Особенно большие затруднения выявились при изготовлении и эксплуатации парогенераторов, первые образцы которых не выдерживали положенного срока службы. К чести всех участников этих работ надо отметить, что совместным трудом в течение нескольких лет эти болезни роста и связанные с ними ошибки были преодолены, и к созданию следующего поколения атомных подводных лодок, которое началось в конце 50-х годов, конструкторы и судостроители приступили, накопив солидные знания и опыт.
С появлением атомных энергетических установок подводные лодки стали истинно подводными, а не «ныряющими», какими, по существу, они были ранее. Запас энергии теперь позволяет подводному кораблю плавать под водой длительное время и всплывать под перископ лишь для того, чтобы уточнить свое место в океане по солнцу или звездам, по космическим или радионавигационным системам.
Атомная подводная лодка, получившая позже название «Ленинский комсомол», была первым советским кораблем с атомной энергетической установкой. Она положила начало атомному подводному кораблестроению в Советском Союзе. Научным руководителем работ был академик А. П. Александров, главным конструктором проекта — В. Н. Перегудов. Проекты основного оборудования атомной энергетической установки — реактора, парогенераторов, главного турбозубчатого агрегата, насосов первого контура, вспомогательных механизмов — разрабатывались под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Н. А. Доллежаля, начальника конструкторского бюро Балтийского завода Г. А. Гасанова, главных конструкторов Кировского завода М. А. Казака и H. M. Синева. Первым командиром первого советского атомохода был опытный подводник капитан 2 ранга Леонид Гаврилович Осипенко, впоследствии Герой Советского Союза, контр-адмирал, долгие годы руководивший учебным центром подготовки моряков — экипажей атомных подводных лодок в Обнинске.
Первая опытная атомная подводная лодка была спроектирована и построена в весьма сжатые сроки — за шесть лет и три месяца: проектирование — с октября 1952 по июнь 1954 года; изготовление рабочих чертежей — с марта 1954 по июль 1955 года; закладка атомной ПЛ на Северном машиностроительном предприятии (СМП) произведена в мае 1954 года, спуск на воду — в августе 1957 года; ходовые испытания закончены в декабре 1958 года, после чего подводная лодка К-3 была сдана флоту в опытную эксплуатацию. Подводная лодка — двухкорпусная, двухвальная — имела следующие тактико-технические элементы: основные размерения — 107,4 х 7,9 х 5,7 м; надводное водоизмещение — 3101 т, подводное — 4069 т; запас плавучести — 30,5%; рабочая глубина погружения — 240 м, предельная — 300 м; число торпедных аппаратов калибра 533 мм — восемь; мощность главной энергоустановки на валу — 35000 (2 х 17500) л. с.; тепловая мощность реактора — 140 (2 х 70) мВт; надводная скорость — 15,5 узла (28,7 км/ч), подводная — 25 узлов (фактически — около 30 узлов — 55 км/ч); автономность — 60 суток; время непрерывного пребывания в подводном положении — 1500 ч; экипаж —104 человека. В последующем, в связи с увеличением экипажа на 22 человека, автономность подводной лодки была сокращена до 50 суток и время непрерывного пребывания в подводном положении — до 1200 часов. В июне 1962 года впервые в истории Советского Военно-Морского Флота атомная подводная лодка «Ленинский комсомол» прошла подо льдами Северного Ледовитого океана, дважды пересекла точку Северного полюса, где подводники установили Государственный флаг СССР. За этот поход весь личный состав ПЛ был награжден орденами и медалями, а руководителю похода контр-адмиралу А. И. Петелину, командиру ПЛ капитану 2 ранга Л. М. Жильцову и инженер-механику капитану 2 ранга Р. А. Тимофееву было присвоено звание Героя Советского Союза.
Через год, в сентябре 1963 года, преодолев под ледяным куполом планеты нелегкий путь, экипаж атомохода под командованием капитана 2 ранга Ю. А. Сысоева впервые в истории всплыл точно на Северном полюсе, осуществив заветную мечту многих мореплавателей. Примечательным подвигом был поход группы советских атомных лодок вокруг земного шара в феврале-марте 1966 года под руководством контр-адмирала А. И. Сорокина. Несмотря на то, что в начале 1959 года в нашем флоте появилась первая атомная ПЛ, во втором послевоенном десятилетии продолжалось интенсивное строительство дизель-электрических подводных лодок. Одновременно не прекращались работы по созданию баллистических и крылатых ракет для подводных лодок. Из двух принципиально разных типов был выбран комплекс, разработанный под руководством академика В. Н. Челомея. KP «П-5» (после модернизации — «П-5Д») хранились в контейнере со сложенными крыльями, раскрывавшимися автоматически при выходе из контейнера. Эта ракета стала прообразом всех последующих типов морских крылатых ракет. В 1960—1963 годах 11 подводных лодок проекта 613 были переоборудованы под носители крылатых ракет (проект 644). Развитие этих ПЛ завершили 16 подводных лодок проекта 651 (главный конструктор — А. С. Кассациер). Головная подводная лодка строилась на Балтийском судостроительном заводе, сдана флоту в 1963 г. Подводная лодка вооружалась четырьмя крылатыми ракетами комплекса П-5 для стрельбы по берегу или противокорабельного комплекса П-6.
В 1966 г. крылатые ракеты комплекса П-5 для стрельбы по берегу с вооружения подводных лодок были сняты, на них были оставлены только противокорабельные ракеты комплекса П-6. Особо важным достоинством этого разведывательно-ударного комплекса ВМФ была его система управления стрельбой, которая решала задачи управления полетом ракеты и наведения ее на цели, находящиеся как в пределах геодезической видимости носителя, так и за ее пределами. В случае обнаружения нескольких целей имелась возможность избирательного поражения целей путем трансляции с крылатой ракеты на подводную лодку радиолокационного изображения целей и передачи команды с подводной лодки на ракеты о выборе цели. Помимо корабельной аппаратуры управления стрельбой ракетами для крылатых ракет на подводных лодках имелась специальная система приборов целеуказания, которая получала от самолета-разведчика дальнего действия данные о местонахождении цели.