ตามรายงานในOpusculum Taisnieriที่ตีพิมพ์ในปี 1562: ^{[ 12 ]}

ชาวกรีกสองคนดำดิ่งลงไปในแม่น้ำทากัสใกล้เมืองโตเลโดหลายครั้งต่อหน้าจักรพรรดิชาร์ลส์ที่ 5 แห่งจักรวรรดิโรมันอันศักดิ์สิทธิ์โดยไม่เปียกน้ำและเปลวไฟที่ถืออยู่ในมือยังคงลุกโชนอยู่^{[ 13 ]}

ในปี ค.ศ. 1578 วิลเลียม บอร์น นักคณิตศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้บันทึกแผนการแรกๆ สำหรับยานพาหนะนำทางใต้น้ำไว้ ในหนังสือ Inventions or Devises ของเขา ^{[ 14 ]}ไม่กี่ปีต่อมาจอห์น เนเปียร์ นักคณิตศาสตร์และนักเทววิทยาชาวสกอตแลนด์ ได้เขียนไว้ในหนังสือSecret Inventions (ค.ศ. 1596) ว่า "สิ่งประดิษฐ์เหล่านี้ นอกเหนือจากอุปกรณ์สำหรับการเดินเรือใต้น้ำ พร้อมด้วยอุปกรณ์และกลยุทธ์อื่นๆ อีกมากมายสำหรับการทำร้ายศัตรู ด้วยพระคุณของพระเจ้าและฝีมือของช่างฝีมือผู้เชี่ยวชาญ ข้าพเจ้าหวังว่าจะสามารถดำเนินการได้" ไม่เป็นที่แน่ชัดว่าเขาได้ดำเนินการตามความคิดของเขาหรือไม่^{[ 15 ]}

Jerónimo de Ayanz y Beaumont (1553–1613) ได้สร้างแบบร่างโดยละเอียดสำหรับยานดำน้ำสองประเภทที่ได้รับการปรับปรุงใหม่ด้วยอากาศ ยานเหล่านี้ติดตั้งไม้พาย ท่อหายใจลอยน้ำอัตโนมัติที่ทำงานโดยปั๊มภายใน ช่องหน้าต่าง และถุงมือที่ใช้สำหรับลูกเรือในการจัดการวัตถุใต้น้ำ Ayanaz วางแผนที่จะใช้ยานเหล่านี้ในการทำสงคราม โดยใช้เพื่อเข้าใกล้เรือข้าศึกโดยไม่ถูกตรวจพบ และติดตั้งระเบิดดินปืนแบบตั้งเวลาบนตัวเรือ^{[ 16 ]}

เรือดำน้ำลำแรกที่มีข้อมูลการสร้างที่เชื่อถือได้นั้นได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นในปี ค.ศ. 1620 โดยคอร์เนลิส เดร็บเบลชาวดัตช์ที่รับใช้พระเจ้าเจมส์ที่ 1 แห่งอังกฤษเรือดำน้ำลำนี้ถูกขับเคลื่อนด้วยไม้พาย^{[ 15 ]}

ในช่วงกลางศตวรรษที่ 18 มีการจดสิทธิบัตรเรือดำน้ำ/เรือดำน้ำได้มากกว่าหนึ่งโหลในอังกฤษ ในปี 1747 นาธาเนียล ไซมอนส์ ได้จดสิทธิบัตรและสร้างตัวอย่างการใช้งานถังบัลลาสต์เพื่อการดำน้ำเป็นครั้งแรกเท่าที่ทราบกันดี การออกแบบของเขาใช้ถุงหนังที่สามารถเติมน้ำเพื่อทำให้เรือดำน้ำได้ กลไกถูกใช้เพื่อบิดน้ำออกจากถุงและทำให้เรือลอยขึ้นสู่ผิวน้ำ ในปี 1749 นิตยสารGentlemen's Magazineรายงานว่าการออกแบบที่คล้ายกันนี้ได้รับการเสนอครั้งแรกโดยโจวันนี โบเรลลีในปี 1680 การปรับปรุงการออกแบบเพิ่มเติมหยุดชะงักไปนานกว่าหนึ่งศตวรรษ จนกระทั่งมีการนำเทคโนโลยีใหม่สำหรับการขับเคลื่อนและความเสถียรมาใช้^{[ 17 ]}

เรือดำน้ำทางทหารลำแรกคือTurtle (1775) ซึ่งเป็นอุปกรณ์รูปทรงลูกโอ๊กที่ขับเคลื่อนด้วยมือ ออกแบบโดยDavid Bushnell ชาวอเมริกัน เพื่อรองรับคนเพียงคนเดียว^{[ 18 ]}นับเป็นเรือดำน้ำลำแรกที่ได้รับการยืนยันว่าสามารถปฏิบัติการและเคลื่อนที่ใต้น้ำได้อย่างอิสระ และเป็นลำแรกที่ใช้สกรูในการขับเคลื่อน^{[ 19 ]}

ในปี ค.ศ. 1800 ฝรั่งเศสสร้างเรือดำน้ำพลังงานมนุษย์ชื่อนอติลัส ซึ่งออกแบบโดย โรเบิร์ต ฟุลตัน ชาวอเมริกัน พวกเขาเลิกทำการทดลองนี้ในปี ค.ศ. 1804 เช่นเดียวกับอังกฤษที่เลิกทำการทดลองนี้เมื่อพวกเขาพิจารณาการออกแบบเรือดำน้ำของฟุลตันอีกครั้ง

ในปี ค.ศ. 1850 เรือดำน้ำ BrandtaucherของWilhelm Bauerถูกสร้างขึ้นในประเทศเยอรมนี และยังคงเป็นเรือดำน้ำที่เก่าแก่ที่สุดที่ยังคงหลงเหลืออยู่ในโลก^{[ 20 ]}

ในปี พ.ศ. 2407 ช่วงปลายสงครามกลางเมืองอเมริกา เรือดำ น้ำ HL Hunleyของกองทัพเรือฝ่ายสัมพันธมิตรกลายเป็นเรือดำน้ำทางทหารลำแรกที่จมเรือข้าศึก คือ เรือรบ USS Housatonicของ ฝ่ายสหภาพ โดยใช้ถังบรรจุดินปืนบนเสาเป็นระเบิดตอร์ปิโด เรือHunleyก็จมลงเช่นกัน คลื่นกระแทกจากการระเบิดอาจทำให้ลูกเรือเสียชีวิตทันที ทำให้พวกเขาไม่สามารถสูบน้ำท้องเรือหรือขับเคลื่อนเรือดำน้ำได้^{[ 21 ]} 

ในปี พ.ศ. 2409 เรือดำ น้ำ Sub Marine Explorerเป็นเรือดำน้ำลำแรกที่ดำน้ำ ล่องใต้น้ำ และขึ้นสู่ผิวน้ำได้สำเร็จภายใต้การควบคุมของลูกเรือ การออกแบบโดยJulius H. Kroehl ชาวเยอรมัน-อเมริกัน (ในภาษาเยอรมันKröhl ) ได้รวมเอาองค์ประกอบต่างๆ ที่ยังคงใช้ในเรือดำน้ำสมัยใหม่^{[ 22 ]}

ในปี พ.ศ. 2409 เรือดำน้ำฟลาชถูกสร้างขึ้นตามคำขอของรัฐบาลชิลีโดยคาร์ล ฟลาชวิศวกรชาวเยอรมันและผู้อพยพ เป็นเรือดำน้ำลำที่ห้าที่สร้างขึ้นในโลก^{[ 23 ]}และพร้อมกับเรือดำน้ำลำที่สอง มีจุดประสงค์เพื่อป้องกันท่าเรือวัลปาราอิโซจากการโจมตีของกองทัพเรือสเปนในช่วงสงครามหมู่เกาะชินชา

เรือดำน้ำลำแรกที่ไม่ต้องพึ่งพาแรงคนในการขับเคลื่อนคือเรือดำน้ำ Plongeur ( Diver ) ของฝรั่งเศส ซึ่งปล่อยลงน้ำในปี 1863 โดยใช้แรงดันอากาศอัดที่1,200 กิโลปาสคาล ( 180 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) นาร์ซิส มอนตูริโอล ออกแบบ เรือดำน้ำลำแรกที่ไม่ต้องพึ่งพาอากาศและ ใช้ พลังงานจากการเผาไหม้ คือเรือดำน้ำ Ictíneo IIซึ่งปล่อยลงน้ำที่บาร์เซโลนาประเทศสเปน ในปี 1864  

เรือดำน้ำกลายเป็นอาวุธที่มีศักยภาพได้ด้วยการพัฒนาตอร์ปิโดไวท์เฮดซึ่งออกแบบในปี พ.ศ. 2409 โดยวิศวกรชาวอังกฤษโรเบิร์ต ไวท์เฮด ซึ่ง เป็นตอร์ปิโดขับเคลื่อนด้วยตนเองที่ ใช้งาน ได้จริงเป็นครั้งแรก^{[ 24 ]}ตอร์ปิโดแบบแท่งที่กองทัพเรือของสมาพันธรัฐพัฒนาขึ้นก่อนหน้านี้ถือว่าไม่สามารถใช้งานได้จริง เนื่องจากเชื่อกันว่ามันจมทั้งเป้าหมายที่ตั้งใจไว้และเรือดำน้ำHL Hunley ที่ใช้ตอร์ปิโดนั้น

จอห์น ฟิลิป ฮอลแลนด์นักประดิษฐ์ชาวไอริชสร้างแบบจำลองเรือดำน้ำในปี พ.ศ. 2429 และในปี พ.ศ. 2421 ได้สาธิต ต้นแบบ Holland Iหลังจากนั้นก็มีการออกแบบที่ไม่ประสบความสำเร็จอีกหลายแบบ ในปี พ.ศ. 2439 เขาได้ออกแบบเรือดำน้ำ Holland Type VI ซึ่งใช้เครื่องยนต์สันดาปภายในในการขับเคลื่อนบนผิวน้ำและ พลังงาน แบตเตอรี่ ไฟฟ้าใต้น้ำ เรือ Holland VIถูกปล่อยลงน้ำเมื่อวันที่ พ.ศ. 2440 ที่อู่ต่อเรือ Crescentของ นาวิกโยธิน ลูอิส นิกสันในเมืองเอลิซาเบธ รัฐนิวเจอร์ซีย์และกองทัพเรือสหรัฐฯได้ซื้อ เรือ Holland VI เมื่อวันที่ พ.ศ. 2443 กลายเป็นเรือดำน้ำลำแรกที่ประจำการในกองทัพเรือสหรัฐฯ โดยได้รับการตั้งชื่อว่าUSS Holland ^{[ 25 ]} 

การหารือระหว่าง จอร์จ การ์เร็ตต์นักบวชและนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษกับธอร์สเตน นอร์เดนเฟลต์ นักอุตสาหกรรมชาวสวีเดน นำไปสู่การสร้างเรือดำน้ำพลังไอน้ำที่ใช้งานได้จริงลำแรก ซึ่งติดตั้งตอร์ปิโดและพร้อมสำหรับการใช้งานทางทหาร ลำแรกคือนอร์เดนเฟลต์ 1 เรือ ขนาด 56 ตันยาว 19.5 เมตร (64 ฟุต) คล้ายกับเรือเรซูร์ กัม (1879) ที่ ประสบอุบัติเหตุของกาเร็ตต์มีระยะทำการ240 กิโลเมตร (130 ไมล์ทะเล; 150 ไมล์) ติดตั้ง ตอร์ปิโดหนึ่งลูกในปี 1885   

วิธีการขับเคลื่อนที่เชื่อถือได้สำหรับเรือดำน้ำเพิ่งเป็นไปได้ในช่วงทศวรรษ 1880 ด้วยการถือกำเนิดของเทคโนโลยีแบตเตอรี่ไฟฟ้าที่จำเป็น เรือที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าลำแรกถูกสร้างขึ้นโดยIsaac Peral y Caballeroในสเปน (ผู้สร้างPeral ), Dupuy de Lôme (ผู้สร้างGymnote ) และGustave Zédé (ผู้สร้างSirène ) ในฝรั่งเศส และ James Franklin Waddington (ผู้สร้างPorpoise ) ในอังกฤษ^{[ 26 ]}การออกแบบของ Peral มีตอร์ปิโดและระบบอื่นๆ ที่ต่อมากลายเป็นมาตรฐานในเรือดำน้ำ^{[ 27 ] [ 28 ]}

เรือดำน้ำ Narvalของฝรั่งเศส ซึ่งเริ่มใช้งานในเดือนมิถุนายน ปี 1900 ใช้พลังงานไอน้ำและไฟฟ้าและใช้การออกแบบตัวเรือสองชั้น ซึ่งเป็นแบบที่ใช้กันทั่วไปในปัจจุบัน โดยมีตัวเรือรับแรงดันอยู่ภายในเปลือกนอก เรือขนาด 200 ตันเหล่านี้มีระยะปฏิบัติการใต้น้ำได้ มากกว่า 160 กิโลเมตร (100 ไมล์) เรือดำน้ำ Aigrette ของฝรั่งเศส ในปี 1904 ได้พัฒนาแนวคิดนี้ให้ดียิ่งขึ้นไปอีก โดยใช้เครื่องยนต์ดีเซลแทนเครื่องยนต์เบนซินสำหรับขับเคลื่อนบนผิวน้ำ เรือดำน้ำเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นเป็นจำนวนมาก โดยสร้างเสร็จถึง 76 ลำก่อนปี 1914  

กองทัพเรืออังกฤษได้สั่งซื้อ เรือ ดำน้ำชั้น Holland จำนวน 5 ลำจากVickers , Barrow-in-Furnessภายใต้ใบอนุญาตจากHolland Torpedo Boat Companyตั้งแต่ปี 1901 ถึง 1903 การก่อสร้างเรือใช้เวลานานกว่าที่คาดไว้ โดยลำแรกพร้อมสำหรับการทดสอบดำน้ำในทะเลเมื่อวันที่ 6 เมษายน 1902 แม้ว่าการออกแบบจะซื้อมาจากบริษัทในสหรัฐอเมริกาโดยสมบูรณ์ แต่การออกแบบที่ใช้จริงเป็นการปรับปรุงที่ไม่เคยทดสอบมาก่อนจากการออกแบบ Holland ดั้งเดิม โดยใช้เครื่องยนต์เบนซิน ใหม่ ขนาด 180 แรงม้า (130 กิโลวัตต์) ^{[ 29 ]} 

เรือดำน้ำประเภทนี้ถูกนำมาใช้ครั้งแรกในช่วงสงครามรัสเซีย-ญี่ปุ่นในปี 1904–05 เนื่องจากการปิดล้อมที่พอร์ตอาร์เธอร์รัสเซียจึงส่งเรือดำน้ำไปยังวลาดิโวสต็อกซึ่งภายในวันที่ 1 มกราคม 1905 มีเรือดำน้ำเจ็ดลำ เพียงพอที่จะสร้าง "กองเรือดำน้ำปฏิบัติการ" แห่งแรกของโลก กองเรือดำน้ำใหม่เริ่มลาดตระเวนในวันที่ 14 กุมภาพันธ์ โดยปกติจะใช้เวลาประมาณ 24 ชั่วโมงต่อครั้ง การเผชิญหน้าครั้งแรกกับเรือรบญี่ปุ่นเกิดขึ้นในวันที่ 29 เมษายน 1905 เมื่อเรือดำน้ำSom ของรัสเซีย ถูกเรือตอร์ปิโดของญี่ปุ่นยิงใส่ แต่หลังจากนั้นก็ถอนตัวออกไป^{[ 30 ]}

เรือดำน้ำทางทหารมีผลกระทบอย่างมากในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1กองกำลังเช่นเรือดำน้ำของเยอรมนีได้เข้าร่วมการรบในยุทธการแอตแลนติกครั้งแรกและเป็นผู้รับผิดชอบในการจมเรือRMS Lusitania ซึ่งถูกจมลงเนื่องจากสงครามเรือดำน้ำแบบไม่จำกัดและมักถูกอ้างถึงว่าเป็นหนึ่งในเหตุผลที่สหรัฐอเมริกาเข้าร่วมสงคราม^{[ 31 ]}

เมื่อสงครามปะทุขึ้น เยอรมนีมีเรือดำน้ำเพียง 20 ลำที่พร้อมสำหรับการรบ แม้ว่าเรือเหล่านี้จะรวมถึงเรือดำน้ำ ชั้น U-19 ที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซล ซึ่งมีระยะทำการ5,000 ไมล์ (8,000 กม.)และความเร็ว8 นอต (15 กม./ชม.) เพียงพอ ที่จะปฏิบัติการได้อย่างมีประสิทธิภาพรอบชายฝั่งอังกฤษทั้งหมด^{[ 32 ]}ในทางตรงกันข้าม กองทัพเรืออังกฤษมีเรือดำน้ำทั้งหมด 74 ลำ แม้ว่าจะมีประสิทธิภาพแตกต่างกันไป ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2457 กองเรือดำน้ำ U-boat จำนวน 10 ลำแล่นออกจากฐานทัพในเฮลิโกแลนด์เพื่อโจมตีเรือรบของกองทัพเรืออังกฤษในทะเลเหนือซึ่งเป็นการลาดตระเวนทางเรือดำน้ำครั้งแรกในประวัติศาสตร์^{[ 33 ]}  

ความสามารถของเรือดำน้ำ U-boat ในการทำหน้าที่เป็นเครื่องจักรสงครามที่มีประสิทธิภาพนั้นขึ้นอยู่กับยุทธวิธีใหม่ จำนวนของพวกมัน และเทคโนโลยีเรือดำน้ำ เช่น ระบบพลังงานดีเซล-ไฟฟ้าแบบผสมผสานที่พัฒนาขึ้นในช่วงหลายปีก่อนหน้านั้น เรือดำน้ำ U-boat มีลักษณะคล้ายเรือดำน้ำมากกว่าเรือดำน้ำที่แท้จริง โดยส่วนใหญ่ปฏิบัติการบนผิวน้ำโดยใช้เครื่องยนต์ปกติ และดำลงใต้น้ำเป็นครั้งคราวเพื่อโจมตีโดยใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ พวกมันมีรูปทรงคล้ายสามเหลี่ยมในส่วนตัดขวาง มีกระดูกงู ที่เด่นชัด เพื่อควบคุมการโคลงเคลงขณะอยู่บนผิวน้ำ และมีหัวเรือที่เด่นชัด ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 เรือ ของฝ่ายสัมพันธมิตร มากกว่า 5,000 ลำถูกเรือดำน้ำ U-boat จม^{[ 34 ]}

อังกฤษตอบสนองต่อการพัฒนาเทคโนโลยีเรือดำน้ำของเยอรมนีด้วยการสร้างเรือดำน้ำชั้น Kอย่างไรก็ตาม เรือดำน้ำเหล่านี้ขึ้นชื่อเรื่องความอันตรายในการใช้งานเนื่องจากข้อบกพร่องในการออกแบบต่างๆ และความคล่องตัวต่ำ^{[ 35 ] [ 36 ]}

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเยอรมนีใช้เรือดำน้ำอย่างมีประสิทธิภาพอย่างมากในยุทธการแอตแลนติกโดยพยายามตัดเส้นทางลำเลียงเสบียงของอังกฤษด้วยการจมเรือสินค้ามากกว่าที่อังกฤษจะหามาทดแทนได้ เรือสินค้าเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดหาอาหารให้แก่ประชาชนชาวอังกฤษ วัตถุดิบสำหรับอุตสาหกรรม และเชื้อเพลิงและอาวุธยุทโธปกรณ์ให้แก่กองทัพ แม้ว่าเรือดำน้ำ U-boat จะได้รับการปรับปรุงในช่วงระหว่างสงคราม แต่การพัฒนาที่สำคัญที่สุดคือการปรับปรุงการสื่อสาร โดยใช้เครื่องเข้ารหัส Enigma ซึ่งทำให้สามารถใช้ กลยุทธ์การโจมตีทางทะเลแบบหมู่( Rudeltaktikหรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า " ฝูงหมาป่า ") ซึ่งในที่สุดก็ใช้ไม่ได้ผลเมื่อเครื่อง Enigma ของเรือดำน้ำ U-boat ถูกถอดรหัสได้เมื่อสิ้นสุดสงคราม เรือของ ฝ่ายสัมพันธมิตร เกือบ 3,000 ลำ (เรือรบ 175 ลำ ​​เรือสินค้า 2,825 ลำ) ถูกเรือดำน้ำ U-boat จมลง^{[ 37 ]}แม้จะประสบความสำเร็จในช่วงต้นสงคราม แต่กองเรือดำน้ำของเยอรมนีก็ประสบความสูญเสียอย่างหนัก โดยสูญเสียเรือดำน้ำไป 793 ลำ และลูกเรือดำน้ำประมาณ 28,000 คน จากทั้งหมด 41,000 คน คิดเป็นอัตราการสูญเสียประมาณ 70% ^{[ 38 ]}

กองทัพเรือจักรวรรดิญี่ปุ่นมีกองเรือดำน้ำที่หลากหลายที่สุดในบรรดากองทัพเรือใดๆ รวมถึงเรือดำน้ำตอร์ปิโดแบบมีลูกเรือ ( Kaiten ) เรือดำน้ำขนาดเล็ก ( ชั้นType A Ko-hyotekiและKairyu ) เรือดำน้ำระยะกลาง เรือดำน้ำส่งเสบียงที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์เฉพาะ และ เรือดำน้ำระยะไกลสำหรับกองเรือ พวกเขายังมีเรือดำน้ำที่มีความเร็วใต้น้ำสูงสุดในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง ( เรือ ดำน้ำชั้นI-201 ) และเรือดำน้ำที่สามารถบรรทุกเครื่องบินได้หลายลำ ( เรือ ดำน้ำชั้นI-400 ) พวกเขายังติดตั้งตอร์ปิโดที่ทันสมัยที่สุดในสงคราม คือ ตอร์ปิโดType 95 ที่ขับเคลื่อนด้วยออกซิเจน อย่างไรก็ตาม แม้จะมีศักยภาพทางเทคนิคสูง ญี่ปุ่นเลือกที่จะใช้เรือดำน้ำในการทำสงครามทางเรือ และผลที่ตามมาคือไม่ประสบความสำเร็จเท่าที่ควร เนื่องจากเรือรบมีความเร็ว คล่องตัว และมีการป้องกันที่ดีกว่าเรือสินค้า

กองเรือดำน้ำเป็นอาวุธต่อต้านเรือรบที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในคลังแสงของอเมริกา แม้ว่าเรือดำน้ำจะมีเพียงประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ของกองทัพเรือสหรัฐฯ แต่ก็ทำลายกองทัพเรือญี่ปุ่นไปกว่า 30 เปอร์เซ็นต์ รวมถึงเรือบรรทุกเครื่องบิน 8 ลำ เรือรบ 1 ลำ และเรือลาดตระเวน 11 ลำ เรือดำน้ำสหรัฐฯ ยังทำลายกองเรือพาณิชย์ของญี่ปุ่นไปกว่า 60 เปอร์เซ็นต์ ทำให้ความสามารถของญี่ปุ่นในการจัดหาเสบียงให้กับกองทัพและอุตสาหกรรมสงครามลด ลงอย่างมาก เรือดำน้ำฝ่ายสัมพันธมิตรในสงครามแปซิฟิกทำลายเรือขนส่งของญี่ปุ่นมากกว่าอาวุธอื่นๆ ทั้งหมดรวมกัน ความสำเร็จนี้ได้รับความช่วยเหลืออย่างมากจากความล้มเหลวของกองทัพเรือจักรวรรดิญี่ปุ่นในการจัดหากองกำลังคุ้มกันที่เพียงพอสำหรับกองเรือพาณิชย์ของประเทศ

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง กองทัพเรือสหรัฐฯ มีเรือดำน้ำประจำการอยู่ 314 ลำ โดยเกือบ 260 ลำถูกส่งไปประจำการในมหาสมุทรแปซิฟิก^{[ 39 ]}เมื่อญี่ปุ่นโจมตีฮาวายในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2484 มีเรือดำน้ำประจำการอยู่ 111 ลำ และเรือดำน้ำจากชั้นGato , BalaoและTench จำนวน 203 ลำ ถูกประจำการในช่วงสงคราม ในช่วงสงคราม เรือดำน้ำของสหรัฐฯ สูญหายไป 52 ลำจากทุกสาเหตุ โดย 48 ลำสูญหายโดยตรงจากการสู้รบ^{[ 40 ]}  เรือดำน้ำของสหรัฐฯ จม เรือข้าศึกไป 1,560 ลำ^{[ 39 ]} คิดเป็นระวาง บรรทุกรวม 5.3  ล้านตัน (55% ของเรือที่จมทั้งหมด) ^{[ 41 ]}

กองเรือดำน้ำของราชนาวีถูกใช้เป็นหลักในการปิดล้อม ของฝ่ายอักษะแบบคลาสสิก พื้นที่ปฏิบัติการหลักอยู่รอบนอร์เวย์ ในทะเลเมดิเตอร์เรเนียน (เพื่อต่อต้านเส้นทางส่งเสบียงของฝ่ายอักษะไปยังแอฟริกาเหนือ) และในตะวันออกไกล ในสงครามนั้น เรือดำน้ำของอังกฤษจมเรือขนส่งสินค้าของศัตรูได้ 2 ล้านตัน และเรือรบขนาดใหญ่ 57 ลำ ซึ่งรวมถึงเรือดำน้ำ 35 ลำ ในบรรดาเหตุการณ์เหล่านี้ มีบันทึกเพียงครั้งเดียวที่เรือดำน้ำลำหนึ่งจมเรือดำน้ำอีกลำหนึ่งในขณะที่ทั้งสองลำอยู่ใต้น้ำ เหตุการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อ เรือ HMS Venturer เข้าปะทะกับ เรือดำน้ำ U-864ลูกเรือของ Venturerคำนวณวิถีการยิงที่ประสบความสำเร็จด้วยตนเองต่อเป้าหมายที่เคลื่อนที่แบบสามมิติโดยใช้เทคนิคซึ่งกลายเป็นพื้นฐานของระบบกำหนดเป้าหมายตอร์ปิโดด้วยคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ เรือดำน้ำของอังกฤษสูญหายไป 74 ลำ^{[ 42 ]} ส่วนใหญ่ 42 ลำ ในทะเลเมดิเตอร์เรเนียน

การยิงขีปนาวุธร่อน ( SSM-N-8 Regulus ) ครั้งแรกจากเรือดำน้ำเกิดขึ้นในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2496 จากดาดฟ้า เรือ USS Tunny ซึ่งเป็นเรือของกองทัพเรือในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ที่ได้รับการดัดแปลงให้บรรทุกขีปนาวุธที่มีหัวรบนิวเคลียร์ Tunny และเรือพี่น้องอย่างBarberoเป็นเรือดำน้ำลาดตระเวนป้องปรามทางนิวเคลียร์ลำแรกของสหรัฐอเมริกา ในช่วงทศวรรษ พ.ศ. 2493 พลังงานนิวเคลียร์เข้ามาแทนที่ระบบขับเคลื่อนดีเซลไฟฟ้าบางส่วน นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาอุปกรณ์เพื่อสกัดออกซิเจนจากน้ำทะเล นวัตกรรมทั้งสองนี้ทำให้เรือดำน้ำสามารถอยู่ใต้น้ำได้นานหลายสัปดาห์หรือหลายเดือน^{[ 43 ] [ 44 ]} เรือดำน้ำของกองทัพเรือส่วนใหญ่ที่สร้างขึ้นตั้งแต่นั้นมาในสหรัฐอเมริกา สหภาพโซเวียต (ปัจจุบันคือรัสเซีย ) สหราชอาณาจักร และฝรั่งเศส ใช้พลังงานจากเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ในช่วงปี 1959-1960 เรือดำน้ำขีปนาวุธนำวิถี ลำแรก ได้ถูกนำเข้าประจำการโดยทั้งสหรัฐอเมริกา ( ชั้นจอร์จ วอชิงตัน ) และสหภาพโซเวียต ( ชั้นกอล์ฟ ) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของยุทธศาสตร์การป้องปรามทางนิวเคลียร์ในสงครามเย็น

ในช่วงสงครามเย็น สหรัฐอเมริกาและสหภาพโซเวียตต่างมีกองเรือดำน้ำขนาดใหญ่ที่คอยไล่ล่ากันไปมา สหภาพโซเวียตสูญเสียเรือดำน้ำไปอย่างน้อยสี่ลำในช่วงเวลานั้น ได้แก่ เรือK-129สูญหายในปี 1968 (ซึ่งส่วนหนึ่งถูกกู้ขึ้นมาจากก้นมหาสมุทรโดยซีไอเอ ด้วย เรือ Glomar Explorer ที่ออกแบบโดยฮาวาร์ด ฮิวจ์ส ) เรือK-8ในปี 1970 เรือK-219ในปี 1986 และเรือ Komsomoletsในปี 1989 (ซึ่งครองสถิติความลึกสูงสุดในบรรดาเรือดำน้ำทางทหาร คือ1,000 เมตร (3,300 ฟุต) ) เรือ ดำน้ำโซเวียตลำอื่นๆ อีกหลายลำ เช่น เรือ K-19 (เรือดำน้ำนิวเคลียร์ลำแรกของโซเวียต และเรือดำน้ำลำแรกที่ไปถึงขั้วโลกเหนือ) ได้รับความเสียหายอย่างหนักจากไฟไหม้หรือการรั่วไหลของรังสี สหรัฐอเมริกาสูญเสียเรือดำน้ำนิวเคลียร์สองลำในช่วงเวลานั้น ได้แก่ เรือUSS Thresherเนื่องจากอุปกรณ์ขัดข้องระหว่างการทดสอบดำน้ำขณะที่อยู่ในขีดจำกัดการใช้งาน และเรือ USS Scorpionเนื่องจากสาเหตุที่ไม่ทราบแน่ชัด    

ในระหว่างสงครามอินโด-ปากีสถานในปี 1971 เรือดำน้ำ Hangorของกองทัพเรือปากีสถานได้จมเรือฟริเกตINS Khukri ของอินเดีย นี่เป็นการจมเรือครั้งแรกโดยเรือดำน้ำนับตั้งแต่สงครามโลกครั้งที่สองในสงครามเดียวกันนั้น เรือดำน้ำ Ghaziซึ่งเป็น เรือดำน้ำชั้น Tenchที่ปากีสถานยืมมาจากสหรัฐอเมริกา ก็ถูกกองทัพเรืออินเดีย จมลง นี่เป็นการสูญเสียเรือดำน้ำในการรบครั้งแรกนับตั้งแต่สงครามโลกครั้งที่สอง^{[ 45 ]}ในปี 1982 ระหว่างสงครามฟอล์คแลนด์เรือลาดตระเวนGeneral Belgrano ของอาร์เจนตินา ถูกเรือดำน้ำHMS Conqueror ของอังกฤษจมลง ซึ่งเป็นการจมเรือครั้งแรกโดยเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ในสงคราม^{[ 46 ]}หลายสัปดาห์ต่อมา ในวันที่ 16 มิถุนายน ระหว่างสงครามเลบานอนเรือดำน้ำอิสราเอลที่ไม่ระบุชื่อลำหนึ่งได้ยิงตอร์ปิโดและจมเรือบรรทุกสินค้าชายฝั่งของเลบานอนชื่อTransit [ ^{47 ] ซึ่ง}บรรทุกผู้ลี้ภัยชาวปาเลสไตน์ 56 คนไปยังไซปรัสโดยเชื่อว่าเรือลำนี้กำลังอพยพกองกำลังต่อต้านอิสราเอล เรือถูกตอร์ปิโดสองลูกโจมตี พยายามแล่นไปเกยตื้น แต่ในที่สุดก็จมลง มีผู้เสียชีวิต 25 คน รวมทั้งกัปตันเรือกองทัพเรืออิสราเอลเปิดเผยเหตุการณ์นี้ในเดือนพฤศจิกายน 2018 ^{[ 48 ] [ 47 ]}  

เรือดำน้ำสมัยใหม่มีรูปทรงคล้ายซิการ์ การออกแบบนี้ซึ่งใช้ในเรือดำน้ำรุ่นแรกๆ ด้วย บางครั้งเรียกว่า " ตัวเรือรูปทรงหยดน้ำ " รูปทรงนี้ช่วยลดแรงต้าน ทางไฮโดรไดนามิก เมื่อเรือดำน้ำอยู่ใต้น้ำ แต่ลดความสามารถในการทรงตัวในทะเลและเพิ่มแรงต้านเมื่ออยู่บนผิวน้ำ เนื่องจากข้อจำกัดของระบบขับเคลื่อนของเรือดำน้ำรุ่นแรกๆ บังคับให้ต้องปฏิบัติการบนผิวน้ำเป็นส่วนใหญ่ การออกแบบตัวเรือจึงเป็นการประนีประนอม เนื่องจากความเร็วใต้น้ำของเรือดำน้ำเหล่านั้นค่อนข้างต่ำ โดยปกติจะต่ำกว่า 10 นอต (18 กม./ชม.) แรงต้านที่เพิ่มขึ้นสำหรับการเดินทางใต้น้ำจึงเป็นที่ยอมรับได้ ในช่วงปลายสงครามโลกครั้งที่สอง เมื่อเทคโนโลยีทำให้สามารถปฏิบัติการใต้น้ำได้เร็วขึ้นและนานขึ้น และการเฝ้าระวังทางอากาศที่เพิ่มขึ้นบังคับให้เรือดำน้ำต้องอยู่ใต้น้ำตลอดเวลา การออกแบบตัวเรือจึงกลับมาเป็นรูปทรงหยดน้ำอีกครั้งเพื่อลดแรงต้านและเสียงรบกวน เรือ USS Albacore (AGSS-569)เป็นเรือดำน้ำวิจัยที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งเป็นผู้บุกเบิกการออกแบบตัวเรือรูปทรงหยดน้ำแบบอเมริกัน (บางครั้งเรียกว่า "ตัวเรือ Albacore") ในเรือดำน้ำสมัยใหม่ ในเรือดำน้ำทางทหารสมัยใหม่ ตัวเรือชั้นนอกจะถูกหุ้มด้วยชั้นยางดูดซับเสียง หรือแผ่นโลหะไร้เสียงสะท้อนเพื่อลดการตรวจจับ    

ตัวเรือรับแรงดันของเรือดำน้ำลึก เช่นDSV Alvin มีรูปทรงกลมแทนที่จะเป็นทรงกระบอก รูปทรงนี้ช่วยกระจายแรงกดได้สม่ำเสมอมากขึ้นและใช้ประโยชน์จากวัสดุได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อต้านทานแรงดันภายนอก เนื่องจากให้ปริมาตรภายในสูงสุดสำหรับน้ำหนักโครงสร้างและเป็นรูปทรงที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการหลีกเลี่ยงความไม่เสถียรจากการโก่งงอเมื่อถูกอัด โดยปกติจะมีโครงสร้างยึดติดอยู่ด้านนอกของตัวเรือรับแรงดัน เพื่อเป็นจุดยึดสำหรับระบบถ่วงดุลและปรับสมดุล อุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ ชุดแบตเตอรี่โฟมลอยตัวสังเคราะห์และระบบไฟส่องสว่าง

หอคอยที่ยกสูงขึ้นบนยอดเรือดำน้ำมาตรฐานนั้นเป็นที่ตั้งของกล้องส่องทางไกลและเสาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งอาจรวมถึงวิทยุเรดาร์ระบบสงครามอิเล็กทรอนิกส์และระบบอื่นๆ นอกจากนี้อาจมีเสาสำหรับท่อหายใจด้วย ในเรือดำน้ำรุ่นแรกๆ หลายรุ่น (ดูประวัติ) ห้องควบคุมหรือ "คอนน์" จะตั้งอยู่ภายในหอคอยนี้ ซึ่งเรียกว่า " หอควบคุม " ตั้งแต่นั้นมา ห้องควบคุมได้ย้ายมาอยู่ภายในตัวเรือดำน้ำ และปัจจุบันหอคอยนี้เรียกว่า"ใบเรือ" หรือ "ครีบ"ห้องควบคุมนั้นแตกต่างจาก "สะพานเดินเรือ" ซึ่งเป็นแท่นเปิดขนาดเล็กที่อยู่ด้านบนของใบเรือ ใช้สำหรับการสังเกตการณ์ระหว่างปฏิบัติการบนผิวน้ำ

"อ่าง" มีความเกี่ยวข้องกับหอควบคุม แต่ใช้กับเรือดำน้ำขนาดเล็กกว่า อ่างเป็นทรงกระบอกโลหะที่ล้อมรอบช่องทางเข้าออกเพื่อป้องกันคลื่นซัดเข้าสู่ห้องโดยสารโดยตรง จำเป็นต้องใช้เนื่องจากเรือดำน้ำที่ลอยอยู่บนผิวน้ำมีระดับความสูงเหนือผิวน้ำ จำกัด กล่าวคือ เรือดำน้ำจะลอยต่ำในน้ำ อ่างช่วยป้องกันไม่ให้เรือจม

เรือดำน้ำและเรือดำน้ำขนาดเล็กในปัจจุบันมักจะมีตัวเรือเพียงชั้นเดียวเช่นเดียวกับรุ่นแรกๆ เรือดำน้ำขนาดใหญ่มักจะมีตัวเรือเพิ่มเติมอีกหนึ่งหรือหลายชั้นอยู่ด้านนอก ตัวเรือภายนอกนี้ซึ่งเป็นส่วนที่กำหนดรูปร่างของเรือดำน้ำเรียกว่าตัวเรือชั้นนอก ( หรือที่เรียกว่า ปลอกหุ้มในกองทัพเรืออังกฤษ) หรือตัวเรือเบาเนื่องจากไม่จำเป็นต้องทนต่อความแตกต่างของแรงดัน ภายในตัวเรือชั้นนอกจะมีตัวเรือที่แข็งแรงกว่า หรือตัวเรือรับแรงดันซึ่งทนต่อแรงดันของทะเลและมีแรงดันบรรยากาศปกติอยู่ภายใน

ตั้งแต่สมัยสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง มีการตระหนักว่ารูปทรงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการทนต่อแรงดันนั้นขัดแย้งกับรูปทรงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการเดินเรือในทะเลและการลดแรงต้านให้น้อยที่สุดที่ผิวน้ำ และความยากลำบากในการก่อสร้างยิ่งทำให้ปัญหานี้ซับซ้อนขึ้นไปอีก ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดยการใช้รูปทรงประนีประนอม หรือโดยการใช้ตัวเรือสองชั้น: ตัวเรือภายในที่แข็งแรงเพื่อทนต่อแรงดัน และส่วนหุ้มภายนอกเพื่อรูปทรงตามหลักพลศาสตร์ของน้ำ จนกระทั่งสิ้นสุดสงครามโลกครั้งที่สอง เรือดำน้ำส่วนใหญ่จะมีปลอกหุ้มเพิ่มเติมบางส่วนที่ด้านบน หัวเรือ และท้ายเรือ สร้างจากโลหะที่บางกว่า ซึ่งจะถูกน้ำท่วมเมื่อดำน้ำ เยอรมนีได้พัฒนาไปอีกขั้นด้วยเรือดำน้ำแบบ Type XXIซึ่งเป็นต้นแบบของเรือดำน้ำสมัยใหม่ โดยที่ตัวเรือรับแรงดันถูกปิดล้อมอย่างสมบูรณ์ภายในตัวเรือที่เบากว่า แต่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการเดินเรือใต้น้ำ ซึ่งแตกต่างจากแบบก่อนหน้านี้ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการปฏิบัติงานบนผิวน้ำ

หลังสงครามโลกครั้งที่สอง แนวทางการออกแบบก็แตกออกเป็นสองฝ่าย สหภาพโซเวียตเปลี่ยนการออกแบบโดยอิงจากการพัฒนาของเยอรมนี เรือดำน้ำหนักของโซเวียตและรัสเซียหลังสงครามโลกครั้งที่สองทั้งหมดสร้างด้วย โครงสร้าง ตัวเรือสองชั้นในขณะที่เรือดำน้ำของอเมริกาและประเทศตะวันตกส่วนใหญ่เปลี่ยนมาใช้โครงสร้างตัวเรือชั้นเดียวเป็นหลัก พวกมันยังคงมีส่วนตัวเรือที่เบาในส่วนหัวและท้ายเรือ ซึ่งเป็นที่ตั้งของถังบัลลาสต์หลักและให้รูปทรงที่เหมาะสมตามหลักพลศาสตร์ของไหล แต่ส่วนตัวเรือทรงกระบอกหลักมีเพียงชั้นแผ่นเดียวเท่านั้น สหรัฐอเมริกากำลังพิจารณาใช้ตัวเรือสองชั้นสำหรับเรือดำน้ำในอนาคตเพื่อปรับปรุงความสามารถในการบรรทุกสัมภาระ การพรางตัว และระยะทำการ^{[ 73 ]}

โดยทั่วไปแล้ว ตัวเรือรับแรงดันจะสร้างจากเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงหนา มีโครงสร้างที่ซับซ้อนและมีกำลังสำรองสูง และแบ่งออกเป็นหลายห้อง ด้วย ผนังกั้น กันน้ำ นอกจากนี้ยังมีตัวอย่างของเรือดำน้ำที่มีตัวเรือมากกว่าสองลำ เช่น เรือดำน้ำชั้นไต้ฝุ่นซึ่งมีตัวเรือรับแรงดันหลักสองลำและตัวเรือขนาดเล็กอีกสามลำสำหรับห้องควบคุม ตอร์ปิโด และอุปกรณ์บังคับทิศทาง โดยมีระบบยิงขีปนาวุธอยู่ระหว่างตัวเรือหลักทั้งหมด ซึ่งทั้งหมดนี้ถูกล้อมรอบและรองรับโดยตัวเรือชั้นนอกที่มีน้ำหนักเบาและมีคุณสมบัติทางพลศาสตร์ของไหล เมื่อดำน้ำ ตัวเรือรับแรงดันจะให้แรงลอยตัวส่วนใหญ่แก่เรือทั้งลำ

การเพิ่ม ความลึกในการดำน้ำไม่ใช่เรื่องง่าย การทำให้ตัวเรือหนาขึ้นจะเพิ่มน้ำหนักโครงสร้างและต้องลดน้ำหนักอุปกรณ์บนเรือ และการเพิ่มเส้นผ่านศูนย์กลางก็ต้องเพิ่มความหนาตามสัดส่วนสำหรับวัสดุและโครงสร้างแบบเดียวกัน ซึ่งในที่สุดจะทำให้ตัวเรือรับแรงดันโดยไม่มีแรงลอยตัวเพียงพอที่จะรองรับน้ำหนักของตัวเองได้ เช่นเดียวกับเรือดำน้ำแบบบาธิสแคฟซึ่งเป็นที่ยอมรับได้สำหรับเรือดำน้ำวิจัยพลเรือน แต่ไม่ใช่สำหรับเรือดำน้ำทางทหาร ซึ่งจำเป็นต้องบรรทุกอุปกรณ์ ลูกเรือ และอาวุธจำนวนมากเพื่อปฏิบัติหน้าที่ จึงจำเป็นต้อง ใช้วัสดุก่อสร้างที่มี ความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสจำเพาะ สูงกว่า

เรือดำน้ำในสงครามโลกครั้งที่ 1 มีตัวเรือทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนโดยมีความลึกสูงสุด100 เมตร (330 ฟุต) ในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 2 ได้มีการนำเหล็กกล้าผสม ความแข็งแรงสูงมาใช้ ทำให้สามารถดำน้ำได้ลึก ถึง 200 เมตร (660 ฟุต)เหล็กกล้าผสมความแข็งแรงสูงยังคงเป็นวัสดุหลักสำหรับเรือดำน้ำในปัจจุบัน โดยมี ความลึก 250–400 เมตร (820–1,310 ฟุต)ซึ่งไม่สามารถเกินกว่านี้ได้สำหรับเรือดำน้ำทางทหารโดยไม่ลดทอนการออกแบบ เพื่อให้เกินขีดจำกัดนั้น เรือดำน้ำบางลำจึงถูกสร้างขึ้นด้วย ตัวเรือ ไทเทเนียมโลหะผสมไทเทเนียมมีความแข็งแรงกว่าเหล็ก เบากว่า และที่สำคัญที่สุดคือ มีความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสจำเพาะ เมื่อจมอยู่ในน้ำสูงกว่า ไทเทเนียมยังไม่เป็นแม่เหล็กซึ่งสำคัญต่อการพรางตัว เรือดำน้ำไทเทเนียมถูกสร้างขึ้นโดยสหภาพโซเวียต ซึ่งได้พัฒนาโลหะผสมความแข็งแรงสูงชนิดพิเศษ และได้ผลิตเรือดำน้ำไทเทเนียมหลายประเภท โลหะผสมไทเทเนียมช่วยให้สามารถดำน้ำได้ลึกขึ้นอย่างมาก แต่ระบบอื่นๆ ต้องได้รับการออกแบบใหม่เพื่อให้รับมือได้ ดังนั้นความลึกในการทดสอบจึงถูกจำกัดไว้ที่1,000 เมตร (3,300 ฟุต)สำหรับเรือดำน้ำโซเวียตK-278 Komsomoletsซึ่งเป็นเรือดำน้ำรบที่ดำน้ำได้ลึกที่สุด แม้ว่าการปฏิบัติงานอย่างต่อเนื่องที่ความลึกดังกล่าวจะทำให้เกิดความเครียดมากเกินไปในระบบต่างๆ ของเรือดำน้ำ ไทเทเนียมไม่สามารถยืดหยุ่นได้ง่ายเท่าเหล็ก และอาจเปราะได้หลังจากดำน้ำหลายรอบ แม้จะมีข้อดี แต่ต้นทุนที่สูงของการสร้างเรือดำน้ำด้วยไทเทเนียมทำให้การสร้างเรือดำน้ำด้วยไทเทเนียมถูกยกเลิกเมื่อสงครามเย็นสิ้นสุดลง เรือดำน้ำพลเรือนที่ดำน้ำลึกได้ใช้ ตัวเรือรับแรงดัน อะคริลิก หนา แม้ว่าความแข็งแรงจำเพาะและโมดูลัสจำเพาะของอะคริลิกจะไม่สูงมากนัก แต่ความหนาแน่นอยู่ที่เพียง 1.18 กรัม/ซม^³ดังนั้นจึงมีความหนาแน่นมากกว่าน้ำเพียงเล็กน้อย และการสูญเสียแรงลอยตัวจากความหนาที่เพิ่มขึ้นจึงต่ำตามไปด้วย     

ยานดำน้ำลึก (DSV) ที่ลึกที่สุดเท่า ที่เคยมีมาคือ Triesteเมื่อวันที่ 5 ตุลาคม พ.ศ. 2492 Triesteออกเดินทางจากซานดิเอโกไปยังกวมบนเรือบรรทุกสินค้าSanta Mariaเพื่อเข้าร่วมในโครงการ Nektonซึ่งเป็นการดำน้ำลึกหลายครั้งในร่องลึกมาเรียนาเมื่อวันที่ 23 มกราคม พ.ศ. 2503 Triesteไปถึงพื้นมหาสมุทรใน Challenger Deep (ส่วนที่ลึกที่สุดทางใต้ของร่องลึกมาเรียนา) โดยมีJacques Piccard (บุตรชายของ Auguste) และร้อยโทDon Walshแห่งกองทัพเรือสหรัฐฯ อยู่บนเรือ^{[ 74 ]}นี่เป็นครั้งแรกที่เรือ ไม่ว่าจะมีลูกเรือหรือไม่มีลูกเรือ ไปถึงจุดที่ลึกที่สุดในมหาสมุทรของโลก ระบบบนเรือระบุความลึกที่11,521 เมตร (37,799 ฟุต)แม้ว่าต่อมาจะมีการแก้ไขเป็น10,916 เมตร (35,814 ฟุต)และการวัดที่แม่นยำยิ่งขึ้นในปี 1995 พบว่าบริเวณ Challenger Deep ตื้นกว่าเล็กน้อยที่10,911 เมตร (35,797 ฟุต )   

การสร้างตัวเรือที่ทนแรงดันนั้นเป็นเรื่องยาก เนื่องจากต้องทนต่อแรงดันที่ระดับความลึกที่ต้องการดำน้ำ เมื่อตัวเรือมีรูปทรงกลมสมบูรณ์ในส่วนตัดขวาง แรงดันจะกระจายอย่างสม่ำเสมอ และทำให้เกิดการอัดตัวของตัวเรือเท่านั้น หากรูปทรงไม่สมบูรณ์ ตัวเรือจะโก่งงอมากขึ้นในบางจุด และ ความไม่เสถียร จากการโก่งงอเป็นรูปแบบความล้มเหลว ทั่วไป การเบี่ยงเบนเล็กน้อยที่หลีกเลี่ยงไม่ได้จะถูกต้านทานโดยวงแหวนเสริมความแข็งแรง แต่แม้การเบี่ยงเบนจากรูปทรงกลมเพียงหนึ่งนิ้ว (25  มม.) ก็ส่งผลให้ภาระไฮโดรสแตติกสูงสุดลดลงกว่า 30 เปอร์เซ็นต์ และส่งผลให้ความลึกในการดำน้ำลดลงตามไป ด้วย ^{[ 75 ]}ดังนั้น ตัวเรือจึงต้องสร้างด้วยความแม่นยำสูง ชิ้นส่วนตัวเรือทั้งหมดต้องเชื่อมโดยไม่มีข้อบกพร่อง และข้อต่อทั้งหมดจะได้รับการตรวจสอบหลายครั้งด้วยวิธีการต่างๆ ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนของเรือดำน้ำสมัยใหม่สูง (ตัวอย่างเช่นเรือดำน้ำโจมตีชั้นเวอร์จิเนีย แต่ละลำมีราคา 2.6 พันล้าน ดอลลาร์สหรัฐ มากกว่า 200,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อตันของระวางขับน้ำ)

ในขณะที่เรือดำน้ำรุ่นแรกส่วนใหญ่ใช้การเชื่อมต่อเชิงกลโดยตรงระหว่างเครื่องยนต์สันดาปและใบพัด ได้มีการพิจารณาและนำวิธีการแก้ปัญหาทางเลือกมาใช้ตั้งแต่ช่วงแรกๆ^{[ 78 ]}วิธีการแก้ปัญหาดังกล่าวประกอบด้วยการแปลงงานของเครื่องยนต์สันดาปเป็นพลังงานไฟฟ้าก่อนโดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเฉพาะ จากนั้นพลังงานนี้จะถูกนำไปใช้ในการขับเคลื่อนใบพัดผ่านมอเตอร์ไฟฟ้า และใช้ในการชาร์จแบตเตอรี่ตามความจำเป็น ในการกำหนดค่านี้ มอเตอร์ไฟฟ้าจึงมีหน้าที่ในการขับเคลื่อนใบพัดตลอดเวลา โดยไม่คำนึงถึงว่าจะมีอากาศเพียงพอหรือไม่เพื่อให้สามารถใช้เครื่องยนต์สันดาปได้

หนึ่งในผู้บุกเบิกวิธีการแก้ปัญหาทางเลือกนี้คือเรือดำน้ำลำแรกของกองทัพเรือสวีเดน HSwMS Hajen (ต่อมาเปลี่ยนชื่อเป็นUb no 1 ) ซึ่งเปิดตัวในปี 1904 แม้ว่าการออกแบบโดยทั่วไปจะ ได้รับแรงบันดาลใจจากเรือดำน้ำลำแรกที่กองทัพเรือสหรัฐฯ สั่งการ คือUSS Hollandแต่ก็มีความแตกต่างจากเรือดำน้ำลำหลังอย่างน้อยสามประการที่สำคัญ ได้แก่ การเพิ่มกล้องส่องทางไกล การเปลี่ยนเครื่องยนต์เบนซินเป็นเครื่องยนต์กึ่งดีเซล ( เครื่องยนต์แบบหัวเผาที่ออกแบบมาเพื่อใช้น้ำมันก๊าดเป็นเชื้อเพลิงเป็นหลัก ต่อมาถูกแทนที่ด้วยเครื่องยนต์ดีเซลแท้) และการตัดการเชื่อมต่อทางกลระหว่างเครื่องยนต์สันดาปกับใบพัด โดยให้เครื่องยนต์สันดาปขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเฉพาะแทน^{[ 79 ]}ด้วยเหตุนี้ จึงเป็นการก้าวไปสู่เทคโนโลยีที่โดดเด่นสำหรับเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม (เช่น ไม่ใช่นิวเคลียร์) ในสามขั้นตอนสำคัญในที่สุด

ในปีต่อมา กองทัพเรือสวีเดนได้เพิ่มเรือดำน้ำอีกเจ็ดลำในสามชั้นที่แตกต่างกัน ( Undervattensbåten No 2 , LaxenและAbborren class ) โดยใช้เทคโนโลยีขับเคลื่อนแบบเดียวกัน แต่ติดตั้งเครื่องยนต์ดีเซลแท้แทนที่จะเป็นเครื่องยนต์กึ่งดีเซลตั้งแต่เริ่มต้น^{[ 80 ]}เนื่องจากในเวลานั้น เทคโนโลยีมักจะใช้เครื่องยนต์ดีเซลเป็นหลักมากกว่าเครื่องยนต์สันดาปประเภทอื่น จึงกลายเป็นที่รู้จักในชื่อระบบส่งกำลังดีเซล-ไฟฟ้าใน ที่สุด

เช่นเดียวกับเรือดำน้ำรุ่นแรกๆ อีกหลายลำ เรือดำน้ำที่ออกแบบในสวีเดนในตอนแรกนั้นมีขนาดค่อนข้างเล็ก (น้อยกว่า 200 ตัน) จึงถูกจำกัดให้ปฏิบัติการเฉพาะบริเวณชายฝั่งเท่านั้น เมื่อกองทัพเรือสวีเดนต้องการเพิ่มเรือขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งสามารถปฏิบัติการได้ไกลจากชายฝั่งมากขึ้น จึงได้ซื้อแบบจากบริษัทต่างประเทศที่มีประสบการณ์ที่จำเป็นอยู่แล้ว ได้แก่ บริษัทจากอิตาลี ( Fiat - Laurenti ) ก่อน และต่อมาเป็นบริษัทจากเยอรมนี ( AG WeserและIvS ) ^{[ 81 ]}ผลที่ตามมาคือ ระบบส่งกำลังดีเซล-ไฟฟ้าถูกยกเลิกชั่วคราว

อย่างไรก็ตาม ระบบส่งกำลังดีเซล-ไฟฟ้าได้รับการนำกลับมาใช้อีกครั้งทันทีเมื่อสวีเดนเริ่มออกแบบเรือดำน้ำของตนเองอีกครั้งในช่วงกลางทศวรรษ 1930 นับจากนั้นเป็นต้นมา ระบบนี้ถูกนำมาใช้อย่างต่อเนื่องในเรือดำน้ำสวีเดนรุ่นใหม่ทุกชั้น แม้ว่าจะมีการเสริมด้วยระบบขับเคลื่อนที่ไม่ขึ้นกับอากาศ (AIP)ซึ่งจัดหาโดยเครื่องยนต์สเตอร์ลิงตั้งแต่ เรือ HMS Näckenในปี 1988 ^{[ 82 ]}

อีกหนึ่งหน่วยงานที่นำระบบส่งกำลังดีเซล-ไฟฟ้ามาใช้ในช่วงแรกคือกองทัพเรือสหรัฐฯซึ่งสำนักวิศวกรรมได้เสนอให้ใช้ระบบนี้ในปี 1928 ต่อมาได้มีการทดลองใช้ในเรือดำน้ำชั้น S ได้แก่ S-3 , S-6และS-7ก่อนที่จะนำไปผลิตในเรือดำน้ำชั้นPorpoiseในช่วงทศวรรษ 1930 จากนั้นเป็นต้นมา ระบบนี้ก็ยังคงถูกใช้ในเรือดำน้ำแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ของสหรัฐฯ ต่อไป^{[ 83 ]}

นอกเหนือจากเรือดำ น้ำ ชั้น U ของอังกฤษ และเรือดำน้ำบางลำของกองทัพเรือจักรวรรดิญี่ปุ่นที่ใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซลแยกต่างหากสำหรับการวิ่งด้วยความเร็วต่ำแล้ว กองทัพเรืออื่นๆ นอกเหนือจากสวีเดนและสหรัฐอเมริกาแทบจะไม่ใช้ระบบส่งกำลังดีเซลไฟฟ้าเลยก่อนปี 1945 ^{[ 83 ]}ในทางตรงกันข้าม หลังสงครามโลกครั้งที่สอง ระบบนี้ค่อยๆ กลายเป็นโหมดการขับเคลื่อนหลักสำหรับเรือดำน้ำแบบดั้งเดิม อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ไม่ได้รวดเร็วเสมอไป ที่น่าสังเกตคือ กองทัพเรือโซเวียตไม่ได้นำระบบส่งกำลังดีเซลไฟฟ้ามาใช้กับเรือดำน้ำแบบดั้งเดิมจนกระทั่งปี 1980 กับเรือดำ^น้ำชั้นPaltus [ ^{84 ]}

หากระบบส่งกำลังดีเซล-ไฟฟ้ามีแต่ข้อดีและไม่มีข้อเสียเมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่เชื่อมต่อเครื่องยนต์ดีเซลกับใบพัดด้วยกลไก ระบบนี้คงจะกลายเป็นระบบที่ได้รับความนิยมมากกว่ามานานแล้ว ข้อเสียมีดังต่อไปนี้: ^{[ 85 ] [ 86 ]}

• การแปลงกำลังไฟฟ้าจากเครื่องยนต์ดีเซลเป็นพลังงานไฟฟ้าส่งผลให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและกำลังไฟฟ้าลดลง แม้ว่าเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและมอเตอร์ไฟฟ้าจะมีประสิทธิภาพสูง แต่ประสิทธิภาพโดยรวมก็ยังต่ำกว่า 100 เปอร์เซ็นต์
• จำเป็นต้องมีส่วนประกอบเพิ่มเติมในรูปของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเฉพาะ เนื่องจากมอเตอร์ไฟฟ้าถูกใช้ในการขับเคลื่อนใบพัดอยู่ตลอดเวลา จึงไม่สามารถเข้ามาทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเพิ่มเติมได้อีกต่อไป
• ระบบนี้ไม่อนุญาตให้เครื่องยนต์ดีเซลและมอเตอร์ไฟฟ้าทำงานร่วมกันเพื่อขับเคลื่อนใบพัดพร้อมกันด้วยกลไกเพื่อให้ได้ความเร็วสูงสุดเมื่อเรือดำน้ำอยู่บนผิวน้ำหรือกำลังดำน้ำตื้น อย่างไรก็ตาม เรื่องนี้อาจไม่มีความสำคัญในทางปฏิบัติมากนัก เนื่องจากตัวเลือกที่ระบบนี้ป้องกันนั้นเป็นตัวเลือกที่จะทำให้เรือดำน้ำมีความเสี่ยงที่จะต้องดำน้ำโดยที่แบตเตอรี่เหลือน้อยอย่างน้อยบางส่วน

เหตุผลที่ระบบส่งกำลังดีเซล-ไฟฟ้ากลายเป็นทางเลือกหลักแม้จะมีข้อเสียอยู่บ้างนั้น ก็เพราะว่ามันมีข้อดีมากมาย และโดยรวมแล้วพบว่าข้อดีเหล่านี้มีความสำคัญมากกว่า ข้อดีดังกล่าวได้แก่: ^{[ 85 ] [ 86 ]}

• ระบบนี้ช่วยลดเสียงรบกวนจากภายนอกโดยการตัดการเชื่อมต่อทางกลโดยตรงและแข็งทื่อระหว่างเครื่องยนต์ดีเซลที่มีเสียงดังกับเพลาใบพัดและตัวเรือ ซึ่งเนื่องจากการพรางตัวมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเรือดำน้ำ นี่จึงเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญมาก
• สิ่งนี้ช่วยเพิ่มความพร้อมในการดำน้ำซึ่งแน่นอนว่ามีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเรือดำน้ำ สิ่งเดียวที่จำเป็นจากมุมมองด้านระบบขับเคลื่อนคือการปิดเครื่องยนต์ดีเซล
• ระบบนี้ทำให้ความเร็วของเครื่องยนต์ดีเซลไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วของเรือดำน้ำชั่วคราว ซึ่งในทางกลับกันมักจะทำให้สามารถเดินเครื่องยนต์ดีเซลที่ความเร็วใกล้เคียงกับความเร็วที่เหมาะสมที่สุดได้ทั้งในแง่ของประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงและความทนทาน นอกจากนี้ยังช่วยลดเวลาที่ใช้ในการขึ้นสู่ผิวน้ำหรือดำน้ำตื้นโดยการเดินเครื่องยนต์ดีเซลที่ความเร็วสูงสุดโดยไม่ส่งผลกระทบต่อความเร็วของเรือดำน้ำเอง
• ระบบนี้ช่วยขจัดความจำเป็นในการใช้คลัตช์เพื่อเชื่อมต่อเครื่องยนต์ดีเซล มอเตอร์ไฟฟ้า และเพลาใบพัด ซึ่งจะช่วยประหยัดพื้นที่ เพิ่มความน่าเชื่อถือ และลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา
• ระบบนี้ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นในการกำหนดค่า ตำแหน่ง และการบำรุงรักษาชิ้นส่วนระบบส่งกำลัง ตัวอย่างเช่น เครื่องยนต์ดีเซลไม่จำเป็นต้องอยู่ในแนวเดียวกับมอเตอร์ไฟฟ้าและเพลาใบพัดอีกต่อไป สามารถใช้เครื่องยนต์ดีเซลสองเครื่องเพื่อขับเคลื่อนใบพัดเดียว (หรือในทางกลับกัน) และสามารถปิดเครื่องยนต์ดีเซลเครื่องหนึ่งเพื่อการบำรุงรักษาได้ ตราบใดที่ยังมีเครื่องที่สองพร้อมใช้งานเพื่อจ่ายกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่ต้องการ
• ระบบนี้ช่วยให้สามารถบูรณาการแหล่งพลังงานหลักเพิ่มเติม นอกเหนือจากเครื่องยนต์ดีเซล เช่น ระบบผลิต พลังงานโดยไม่ใช้เชื้อเพลิงจากอากาศ (AIP) ประเภทต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย โดยมีมอเตอร์ไฟฟ้าหนึ่งตัวหรือมากกว่านั้นขับเคลื่อนใบพัดอยู่ตลอดเวลา ระบบเหล่านี้สามารถนำมาใช้เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าอีกแหล่งหนึ่ง นอกเหนือจากเครื่องยนต์ดีเซลและแบตเตอรี่ได้อย่างง่ายดาย

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง ชาวเยอรมันได้ทดลองใช้แนวคิดเรื่อง ท่อหายใจใต้น้ำ ( schnorchel ) จากเรือดำน้ำของเนเธอร์แลนด์ที่ยึดมาได้ แต่ก็ไม่เห็นความจำเป็นในการใช้งานจนกระทั่งช่วงปลายสงคราม ท่อหายใจใต้น้ำนี้เป็นท่อที่สามารถยืดหดได้ ซึ่งทำหน้าที่ส่งอากาศไปยังเครื่องยนต์ดีเซลขณะดำน้ำในระดับ ความลึกที่มองเห็นได้ จากกล้องส่องทางไกลทำให้เรือสามารถแล่นและชาร์จแบตเตอรี่ได้ในขณะที่ยังคงพรางตัวได้ในระดับหนึ่ง

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อนำมาใช้ครั้งแรก ปรากฏว่ามันไม่ใช่ทางออกที่สมบูรณ์แบบ มีปัญหาเกี่ยวกับวาล์วของอุปกรณ์ที่ติดขัดหรือปิดสนิทเมื่อจมลงในสภาพอากาศเลวร้าย เนื่องจากระบบใช้ตัวเรือรับแรงดันทั้งหมดเป็นบัฟเฟอร์ เครื่องยนต์ดีเซลจะดูดอากาศปริมาณมากจากห้องต่างๆ ของเรือในทันที และลูกเรือมักได้รับบาดเจ็บที่หูอย่างรุนแรง ความเร็วถูกจำกัดไว้ที่8 นอต (15 กม./ชม.)เพื่อป้องกันไม่ให้อุปกรณ์แตกหักจากความเครียด นอกจากนี้ ชอร์นเชลยังสร้างเสียงที่ทำให้เรือตรวจจับได้ง่ายขึ้นด้วยโซนาร์ แต่ทำให้โซนาร์บนเรือตรวจจับสัญญาณจากเรือลำอื่นได้ยากขึ้น ในที่สุดเรดาร์ของฝ่ายสัมพันธมิตรก็มีความก้าวหน้ามากพอที่ จะตรวจจับเสา ชอร์นเชลได้ไกลเกินระยะการมองเห็น^{[ 87 ]} 

ในสภาพอากาศแจ่มใส สามารถมองเห็นไอเสียดีเซลบนผิวน้ำได้ไกลประมาณ 3 ไมล์^{[ 88 ]}ในขณะที่ "ขนนกปริซึม" (คลื่นที่เกิดจากท่อหายใจหรือปริซึมที่เคลื่อนที่ผ่านน้ำ) สามารถมองเห็นได้จากระยะไกลในสภาพทะเลสงบ เรดาร์สมัยใหม่ยังสามารถตรวจจับท่อหายใจได้ในสภาพทะเลสงบ^{[ 89 ]}

ปัญหาของเครื่องยนต์ดีเซลที่ทำให้เกิดสุญญากาศในเรือดำน้ำเมื่อวาล์วหัวจมอยู่ใต้น้ำยังคงมีอยู่ในเรือดำน้ำดีเซลรุ่นหลังๆ แต่ได้รับการแก้ไขโดยเซ็นเซอร์ตัดการทำงานเมื่อสุญญากาศในเรือถึงจุดที่กำหนดไว้ล่วงหน้า เสาเหนี่ยวนำแบบสนอร์เกิลสมัยใหม่มีการออกแบบที่ปลอดภัยโดยใช้ลมอัดควบคุมโดยวงจรไฟฟ้าอย่างง่าย เพื่อยึด "วาล์วหัว" ให้เปิดค้างไว้ต้านแรงดึงของสปริงที่ทรงพลัง น้ำทะเลที่ไหลผ่านเสาจะทำให้ขั้วไฟฟ้าที่เปิดโล่งด้านบนลัดวงจร ทำให้การควบคุมล้มเหลว และปิด "วาล์วหัว" ขณะที่จมอยู่ใต้น้ำ เรือดำน้ำของสหรัฐฯ ไม่ได้นำการใช้สนอร์เกิลมาใช้จนกระทั่งหลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ^{[ 90 ]}

ในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองเรือดำน้ำแบบ Type XXI ของเยอรมัน (หรือที่รู้จักกันในชื่อ " Elektroboote ") เป็นเรือดำน้ำรุ่นแรกที่ออกแบบมาเพื่อปฏิบัติการใต้น้ำเป็นเวลานาน ในตอนแรกพวกมันถูกออกแบบให้บรรทุกไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เพื่อใช้ในการขับเคลื่อนที่รวดเร็วและต่อเนื่องโดยไม่ต้องพึ่งพาอากาศ แต่ในที่สุดก็ถูกสร้างขึ้นโดยใช้แบตเตอรี่ขนาดใหญ่แทน เมื่อสงครามสิ้นสุดลง อังกฤษและสหภาพโซเวียตได้ทดลองใช้เครื่องยนต์ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์/น้ำมันก๊าด (พาราฟิน) ที่สามารถใช้งานได้ทั้งบนผิวน้ำและใต้น้ำ ผลลัพธ์ที่ได้ไม่เป็นที่น่าพอใจ แม้ว่าสหภาพโซเวียตจะประจำการเรือดำน้ำชั้นหนึ่งที่ใช้เครื่องยนต์ประเภทนี้ (นาโตตั้งชื่อว่าQuebec ) แต่ก็ถือว่าไม่ประสบความสำเร็จ

สหรัฐอเมริกายังใช้ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ในเรือดำน้ำขนาดเล็กทดลองX-1ด้วย เดิมทีเรือดำน้ำลำนี้ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์/ดีเซลและระบบแบตเตอรี่ จนกระทั่งเกิดการระเบิดของแหล่งจ่ายไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เมื่อวันที่ 20 พฤษภาคม พ.ศ. 2490 ต่อมา X-1 จึงถูกดัดแปลงให้ใช้ระบบขับเคลื่อนดีเซล-ไฟฟ้า^{[ 91 ]}

ปัจจุบันกองทัพเรือหลายแห่งใช้ระบบขับเคลื่อนที่ไม่ต้องพึ่งพาอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสวีเดนใช้เทคโนโลยีสเตอร์ลิงใน เรือ ดำน้ำชั้นGotlandและชั้นSödermanlandเครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้รับความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงดีเซลกับออกซิเจนเหลวจาก ถัง ไครโอเจนิกการพัฒนาใหม่ล่าสุดในระบบขับเคลื่อนที่ไม่ต้องพึ่งพาอากาศคือเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนซึ่งใช้ครั้งแรกในเรือดำน้ำ Type 212 ของเยอรมนีโดยมีเซลล์ขนาด 34 กิโลวัตต์จำนวน 9 เซลล์ หรือเซลล์ขนาด 120 กิโลวัตต์จำนวน 2 เซลล์ เซลล์เชื้อเพลิงยังถูกใช้ใน เรือ ดำน้ำชั้น S-80 รุ่น ใหม่ ของสเปนด้วย แม้ว่าเชื้อเพลิงจะถูกเก็บไว้ในรูปของเอทานอลแล้วแปลงเป็นไฮโดรเจนก่อนใช้งานก็ตาม^{[ 92 ]}  

เทคโนโลยีใหม่ประการหนึ่งที่เริ่มนำมาใช้กับเรือดำน้ำชั้นโซริวลำ ที่ 11 ของกองทัพเรือญี่ปุ่น (JS Ōryū ) คือแบตเตอรี่ที่ทันสมัยกว่า นั่นคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบตเตอรี่เหล่านี้มีกำลังการเก็บพลังงานไฟฟ้าประมาณสองเท่าของแบตเตอรี่แบบดั้งเดิม และด้วยการเปลี่ยนแบตเตอรี่ตะกั่วกรดในพื้นที่จัดเก็บปกติ รวมถึงการเติมพื้นที่ขนาดใหญ่ในตัวเรือที่ปกติใช้สำหรับ เครื่องยนต์ AIPและถังเชื้อเพลิงด้วยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนหลายตัน เรือดำน้ำสมัยใหม่จึงสามารถกลับไปใช้ระบบดีเซล-ไฟฟ้า "บริสุทธิ์" ได้ แต่ยังคงมีระยะทำการใต้น้ำและกำลังที่เพิ่มขึ้นซึ่งปกติจะพบได้ในเรือดำน้ำที่ติดตั้งเครื่องยนต์ AIP

พลังงานไอน้ำได้รับการฟื้นฟูขึ้นมาอีกครั้งในทศวรรษ 1950 โดยใช้กังหันไอน้ำพลังงานนิวเคลียร์ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า การที่ไม่ต้องใช้ออกซิเจนในบรรยากาศ ทำให้ระยะเวลาที่เรือดำน้ำสามารถดำน้ำอยู่ใต้น้ำได้นั้นจำกัดอยู่เพียงแค่ปริมาณอาหารเท่านั้น เนื่องจากอากาศหายใจจะถูกนำกลับมาใช้ใหม่ และน้ำจืดจะถูกกลั่นจากน้ำทะเล ที่สำคัญกว่านั้น เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์มีระยะทำการไม่จำกัดที่ความเร็วสูงสุด ทำให้สามารถเดินทางจากฐานปฏิบัติการไปยังเขตสู้รบได้ในเวลาที่สั้นลงมาก และทำให้เป็นเป้าหมายที่ยากต่อการโจมตีด้วยอาวุธต่อต้านเรือดำน้ำส่วนใหญ่ เรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์มีแบตเตอรี่ขนาดเล็กและเครื่องยนต์ดีเซล/เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำรองไว้ใช้ในกรณีฉุกเฉินหากจำเป็นต้องปิดเครื่องปฏิกรณ์

ปัจจุบันมีการใช้พลังงานนิวเคลียร์ในเรือดำน้ำขนาดใหญ่ทั้งหมด แต่เนื่องจากต้นทุนสูงและขนาดที่ใหญ่ของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เรือดำน้ำขนาดเล็กจึงยังคงใช้ระบบขับเคลื่อนดีเซล-ไฟฟ้า อัตราส่วนของเรือดำน้ำขนาดใหญ่ต่อขนาดเล็กขึ้นอยู่กับความต้องการเชิงกลยุทธ์ กองทัพเรือสหรัฐฯกองทัพเรือฝรั่งเศสและกองทัพเรือ อังกฤษ ปฏิบัติการเฉพาะเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ เท่านั้น [ ^{93 ] [ 94 ] ซึ่งอธิบายได้จากความจำเป็นในการปฏิบัติการในระยะไกล ผู้ใช้งานรายใหญ่อื่นๆ อาศัยการผสมผสานระหว่างเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์เพื่อวัตถุประสงค์เชิงกลยุทธ์และเรือดำน้ำ ดีเซล} -ไฟฟ้าเพื่อการป้องกัน กองเรือส่วนใหญ่ไม่มีเรือดำน้ำพลังงานนิวเคลียร์ เนื่องจากพลังงานนิวเคลียร์และเทคโนโลยีเรือดำน้ำมีจำกัด

เรือดำน้ำดีเซล-ไฟฟ้ามีข้อได้เปรียบด้านการพรางตัวเหนือกว่าเรือดำน้ำนิวเคลียร์ เรือดำน้ำนิวเคลียร์สร้างเสียงดังจากปั๊มหล่อเย็นและเครื่องจักรเทอร์โบที่จำเป็นต่อการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์ แม้ในระดับพลังงานต่ำ^{[ 95 ] [ 96 ]}เรือดำน้ำนิวเคลียร์บางลำ เช่น เรือดำน้ำ ชั้นโอไฮโอ ของอเมริกา สามารถทำงานได้โดยปิดปั๊มหล่อเย็นของเครื่องปฏิกรณ์ ทำให้เงียบกว่าเรือดำน้ำไฟฟ้าเรือดำน้ำทั่วไปที่ใช้แบตเตอรี่แทบจะเงียบสนิท เสียงเดียวที่ได้ยินมาจากตลับลูกปืนเพลา ใบพัด และเสียงการไหลรอบตัวเรือ ซึ่งทั้งหมดนี้จะหยุดลงเมื่อเรือดำน้ำลอยตัวอยู่กลางน้ำเพื่อฟังเสียง เหลือเพียงเสียงจากกิจกรรมของลูกเรือเท่านั้น เรือดำน้ำพาณิชย์มักจะใช้แบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว เนื่องจากทำงานร่วมกับเรือแม่

อุบัติเหตุนิวเคลียร์และรังสีร้ายแรงหลายครั้งเกี่ยวข้องกับอุบัติเหตุเรือดำน้ำนิวเคลียร์^{[ 97 ] [ 98 ]} อุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์เรือ ดำน้ำK-19  ของ โซเวียตในปี 1961 ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต 8 ราย และมีผู้ได้รับรังสีเกินขนาดมากกว่า 30 คน^{[ 99 ]} อุบัติเหตุเครื่องปฏิกรณ์ เรือดำน้ำK-27  ของ โซเวียตในปี 1968 ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต 9 ราย และบาดเจ็บอีก 83 ราย^{[ 97 ]} อุบัติเหตุ เรือดำน้ำK-431  ของ โซเวียตในปี 1985 ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต 10 ราย และได้รับบาดเจ็บจากรังสีอีก 49 ราย^{[ 98 ]}

เรือดำน้ำชั้น K ของอังกฤษ ซึ่งสร้างขึ้นในช่วงสงครามโลกครั้งที่ 1 และต่อมา ใช้กังหันไอน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยน้ำมันเป็นพลังงานขับเคลื่อนเพื่อให้มีความเร็วบนผิวน้ำเพียงพอที่จะตามทันกองเรือรบ อย่างไรก็ตาม เรือดำน้ำชั้น K ไม่ประสบความสำเร็จมากนัก

ในช่วงปลายศตวรรษที่ 20 เรือดำน้ำบางลำ เช่น เรือดำ น้ำชั้น แวนการ์ด ของอังกฤษ เริ่มติดตั้ง ระบบขับเคลื่อน แบบปั๊มเจ็ทแทนใบพัด แม้ว่าระบบนี้จะหนักกว่า แพงกว่า และมีประสิทธิภาพน้อยกว่าใบพัด แต่ก็เงียบกว่ามาก ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบทางยุทธวิธีที่สำคัญ