В 1954 году, после ввода в строй подводной лодки USS Nautilus, появилась ядерная энергия. Поскольку ядерный реактор не требовал кислорода, одной электростанции теперь хватало и для надводной, и для подводной работы. Более того, поскольку очень небольшое количество ядерного топлива (обогащенного урана) обеспечивало энергию в течение очень долгого времени, атомная подводная лодка могла работать полностью под водой на высокой скорости неограниченно долго.
Это изменение было революционным. При типичной атаке до появления атомных подводных лодок подводная лодка подходила к цели на поверхности, чтобы не разряжать аккумулятор, и погружалась под воду только перед самым подходом к цели. Подводный подход должен был осуществляться на очень низкой скорости, возможно, не более двух-трех узлов, опять же, чтобы не расходовать энергию аккумуляторов. Командир подводной лодки должен был сохранить заряд батареи до момента атаки, когда ему придется использовать всю подводную мощь (и скорость, возможно, от семи до десяти узлов), чтобы уклониться от контратаки. Но даже в этом случае полного заряда батареи хватало лишь на один-два часа работы на максимальной скорости. Необходимость экономить заряд аккумуляторов, заставлявшая дизель-электрические подводные лодки приближаться к цели как можно тише и медленнее, означала, что они не могли вступать в бой с большинством быстроходных надводных боевых кораблей, таких как авианосцы и линкоры.
Атомные подводные лодки представляли собой совершенно иной класс. Они не только могли свободно (то есть на максимальной скорости в течение неопределенного времени) уклоняться после атаки, но и свободно действовать перед атакой, не отставая от быстроходных надводных кораблей. Этот принцип был проиллюстрирован единственным случаем, когда атомная подводная лодка произвела выстрел в гневе. Во время конфликта на Фолклендских островах в 1982 году британская атомная подводная лодка HMS Conqueror более 48 часов следовала за быстроходным аргентинским крейсером General Belgrano, прежде чем приблизиться и потопить его. Подобные действия были бы совершенно недоступны для любой доатомной подводной лодки. Впервые командир подводной лодки мог свободно маневрировать под водой, не беспокоясь о том, что он истощит батареи своего судна, а быстроходные надводные военные корабли стали уязвимы для атак подводных лодок.
Поначалу ведущие державы продолжали строить дизель-электрические подводные лодки наряду с атомными, но позже некоторые из них уступили в расходах на параллельное содержание двух категорий субмарин. После 1959 года ВМС США фактически прекратили строительство неатомных подводных лодок. Королевский флот, который построил свою первую атомную подводную лодку HMS Dreadnought в 1963 году, придерживался аналогичной политики, за исключением короткого периода в 1980-х и начале 1990-х годов, когда он строил дизель-электрические подводные лодки класса Upholder. После окончания холодной войны Королевский флот остановил программу Upholder на четырех лодках, в итоге списав их и продав Канаде, и вернулся к полностью атомным подводным силам. Франция завершила строительство своей первой атомной подводной лодки Le Redoutable в 1971 году, а в 1976 году фактически отказалась от строительства дизель-электрических подводных лодок для своего флота, хотя по-прежнему строит обычные подводные лодки на экспорт. Хотя Советский Союз продолжал строить дизельные подводные лодки, основная часть их нового строительства перешла на атомную энергетику после того, как в 1958 году на вооружение поступили первые атомные подводные лодки класса «Ноябрь». После распада Советского Союза в 1991 году Россия продолжила политику поддержания смешанных ядерно-конвенциональных подводных сил. В 1968 году китайцы начали строить атомные подводные лодки, продолжая при этом строить и закупать большое количество неатомных субмарин. Индия придерживается примерно той же модели, закупая и строя дизель-электрические подводные лодки, но при этом