Nie ma chyba urządzenia bardziej charakterystycznego dla zimnej wojny niż okręt podwodny o napędzie atomowym. Zarówno napędzane energią jądrową, jak i w niektórych przypadkach wyposażone w pociski nuklearne, te okręty podwodne krążyły po oceanach od czasu wystrzelenia pierwszego atomowego okrętu podwodnego, USS Nautilus, w 1954 roku. Obecnie pięć narodów (Stany Zjednoczone, Rosja, Francja , Wielka Brytania i Chiny) eksploatują setki atomowych okrętów podwodnych na całym świecie. We wszystkich tych krajach okręty podwodne wystrzeliwujące pociski rakietowe stanowią ważną część triady nuklearnej, która obejmuje pociski lądowe, bombowce strategiczne i okręty podwodne z rakietami balistycznymi (SSBN).
Atomowy okręt podwodny ma ogromną przewagę nad tym, co zastąpił — okrętami podwodnymi z napędem diesla. Duże, wojskowe okręty podwodne napędzane silnikami wysokoprężnymi, budowane od czasów wojny o niepodległość, wymagały powietrza do spalania, aby wytworzyć energię elektryczną do akumulatorów. Czasy nurkowania były ograniczone do kilku dni na wolnych obrotach lub tylko kilku godzin na najwyższych obrotach. Konieczność wynurzenia stawianych okrętów podwodnych wiąże się z dużym ryzykiem ataku. W przeciwieństwie do tego, okręty podwodne o napędzie atomowym są samonapędzane, a czas ich nurkowania jest zazwyczaj ograniczony jedynie przez dostępne zapasy żywności i zdrowie psychiczne załogi. Nowoczesny atomowy okręt podwodny może działać przez całe 20- lub 40-letnie życie bez tankowania.
Nuklearne okręty podwodne są zwykle niezwykle drogie, tak samo kosztowne jak najdroższe i najbardziej zaawansowane bombowce lotnicze. Okręt podwodny typu Virginia, którego seria jest obecnie budowana dla Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych, kosztuje około 1.8 miliarda dolarów (USD) za jednostkę, częściowo z powodu braku ekonomii skali i wysokich wymagań dotyczących bezpieczeństwa i niezawodności. Kadłuby okrętów podwodnych muszą być wykonane w bardzo precyzyjny sposób, aby okręt podwodny mógł wytrzymać największe możliwe ciśnienia kadłuba podczas głębokich nurkowań. Nowoczesne atomowe okręty podwodne mają głębokość testową (maksymalna głębokość dozwolona podczas operacji pokojowych) około 1,600 stóp (488 m), przy czym ciśnienie jest około 48 razy większe niż na powierzchni.
Atomowe okręty podwodne, obsługiwane wyłącznie przez światowe mocarstwa nuklearne, są generalnie podzielone na dwie klasy: atakujący atomowy okręt podwodny i atomowy okręt podwodny z rakietami balistycznymi. Szturmowe okręty podwodne, takie jak Seawolf, Los Angeles i Virginia, są uzbrojone w dziesiątki torped i pocisków manewrujących, które mogą uderzać w cele oddalone o setki mil. Okręty podwodne z pociskami balistycznymi, takie jak klasa Ohio, posiadają po 24 pociski balistyczne Trident z końcówkami nuklearnymi.