Lần phóng đầu tiên của một tên lửa hành trình (Nd: cruise missile) (SSM-N-8 Regulus) từ một tàu ngầm đã diễn ra vào tháng Bảy 1953 từ boong của chiếc USS Tunny (Nd: Cá ng )ừ , một tàu hạm đội Thế chiến II được biến cải để mang tên lửa này với một đầu đạn hạt nhân. Tunny và tàu chị em của nó Barbero đã là các tàu ngầm tuần tra ngăn chặn hạt nhân đầu tiên của Mĩ. Chúng đã được gia nhập vào năm 1958 bởi hai tàu ngầm Regulus được đóng theo mục đích, Grayback, Growler (Nd: Bình đựng bia (ngh a M ))ĩ ĩ , và về sau, bởi chiếc Halibut (Nd: Cá bơn lưỡi ngựa) chạy bằng hạt nhân.
Vào những năm 1950, năng lượng hạt nhân đã thay thế một phần lực đẩy diesel-điện. Thiết bị cũng được phát triển để chiết oxygen từ nước biển. Hai phát kiến này trao cho các tàu ngầm khả năng duy trì lặn trong nhiều tuần hay nhiều tháng, và khả thi hóa các cuộc hải hành trước đây là bất khả thi như là sự băng qua Bắc cực của chiếc USS Nautilus bên dưới mũ băng Bắc cực (Nd: the Arctic ice cap) năm 1958[34] và chuyến vòng quanh thế giới bằng đường biển chạy ngầm của chiếc USS Triton (Nd: Thần Nhân ngư?) năm 1960.[35] Hầu hết các tàu ngầm hải quân mà được đóng từ lúc đó ở Mĩ và Liên bang Xô viết/ Nga đã được cấp lực bằng các lò phản ứng hạt nhân. Các nhân tố giới hạn trong sự kéo dài lặn cho các tàu này là nguồn cung thực phẩm và tinh thần thủy thủ đoàn trong tàu ngầm bị giới hạn không gian.
Vào năm 1959–1960, các tàu ngầm tên lửa đạn đạo đầu tiên đã được đưa vào phục vụ bởi cả Mĩ (lớp
George Washington) và Liên bang Xô viết (lớp Hotel) như thành phần của chiến lược ngăn chặn hạt nhân Chiến tranh lạnh (Nd: the Cold Warnuclear deterrent strategy).
Trong khi sự kéo dài và hiệu suất lớn hơn từ các lò phản ứng hạt nhân làm cho các tàu ngầm hạt nhân tốt hơn cho các nhiệm vụ tầm xa hay sự bảo vệ một nhóm chiến đấu vận tải (Nd: a carrier battle group), các bơm làm mát lò phản ứng của chúng về truyền thống là làm chúng ồn ào hơn và do đó là dễ bị phát hiện hơn so với các tàu ngầm diesel-điện bình thường. Các tàu diesel-điện đã tiếp tục được sinh ra bởi cả năng lượng hạt nhân và không hạt nhân do chúng không có hạn chế này, ngoại trừ khi cần chạy động cơ diesel để tái nạp ắc-quy của tàu (Nd: Diesel-electrics have continued to be produced by both nuclear and non- nuclear powers as they lack this limitation, except when required to run the diesel engine to recharge the ship’s battery. Câu này quái quá!). Các tiến bộ công nghệ gần đây về hấp thụ âm thanh (Nd: sound damping), cách ly và triệt tiêu tiếng ồn (Nd: noise isolation and cancellation, có lẽ triệt tiêu là tạo nên sự giao thoa giữa hai sóng âm dao động ngược chiều nhau?) đã làm các tàu ngầm hạt nhân lặng lẽ hơn và về căn bản là đã xói mòn lợi thế này (Nd: and substantially eroded this advantage. Chả hiểu người viết nói gì
nữa. Chắc đang buồn ngủ). Dù kém xa về khả năng tốc độ và trọng tải vũ khí (Nd: Though far less capable regarding speed and weapons payload), các tàu ngầm thông thường cũng được đóng rẻ hơn. Sự giới thiệu các tàu dùng lực đẩy không phụ thuộc không khí, các tàu ngầm diesel-điện thông thường với vài loại máy phát điện không phụ thuộc không khí phụ nào đó, đã dẫn đến những sự bán hàng gia tăng của các loại tàu ngầm như thế.
Các tàu ngầm lớp Los Angeles chạy bằng hạt nhân hình thành nên trụ cột của hạm đội tàu ngầm Mĩ. Trong Chiến tranh lạnh, Mĩ và Liên Xô đã duy trì các hạm đội tàu ngầm lớn mà đã giao chiến trong các trò chơi mèo và chuột (Nd: in cat-and-mouse games). Liên Xô hứng chịu tổn thất của ít nhất bốn tàu ngầm trong thời kỳ này: K-129 đã đắm năm 1968 (mà CIA đã nỗ lực thu hồi từ đáy biển với tàu do
Howard Hughes thiết kế Glomar Explorer (Nd: Nhà thám hi m Glomar)ể ), K-8 năm 1970, K-219 năm 1986 và Komsomolets năm 1989 (mà đã giữ một kỷ lục độ sâu trong số các tàu ngầm quân sự—1000 m). Nhiều tàu ngầm Xô viết khác, như là K-19 (tàu ngầm hạt nhân Xô viết đầu tiên, và là tàu ngầm Xô viết đầu tiên đến được Bắc cực) đã bị hư hại trầm trọng bởi hỏa hoạn và các rò rỉ phóng xạ. Mĩ mất hai tàu ngầm hạt nhân trong thời gian này: USS Thresher (Nd: Cá nhám đuôi dài) do hư hỏng thiết bị trong một cuộc lặn thử trong khi ở giới hạn vận hành của nóvà USS Scorpion (Nd: Bọ cạp) do các nguyên nhân không rõ.
Trong Chiến tranh Ấn Độ – Pakistan 1971 (Indo-Pakistani War of 1971), chiếc Hangor của Hải quân Pakistan đánh chìm tàu khu trục nhỏ (Nd: frigate) INS Khukri của Ấn Độ. Đây là sự hạ sát đầu tiên bởi một tàu ngầm từ Thế chiến II và là lần duy nhất cho đến khi Anh dùng các tàu ngầm chạy hạt nhân chống Ác-hen-ti-na (Nd: Argentina) năm 1982 trong Cuộc chiến tranh Falklands. Tuần dương hạm của Ác-hen- ti-na General Belgrano đã bị đánh đắm bởi HMS Conqueror (sự đánh đắm đầu tiên bởi một tàu ngầm chạy bằng hạt nhân trong chiến tranh). Chiếc PNS Ghazi (Nd: Chiến binh đạo Hồi chống dị giáo), một tàu ngầm lớp Tench mà Pakistan vay của Mĩ (Nd: on loan to Pakistan from the US), đã bị đánh đắm trong Cuộc chiến tranh Ấn Độ -Pakistan. Đó đã là thương vong tàu ngầm đầu tiên kể từ Thế chiến II trong thời chiến.
Gần đây hơn, Nga đã có ba tai nạn tàu ngầm được biết đến nhiều (Nd: three high profile submarine accidents). Chiếc Kursk chìm với toàn bộ thủy thủ đoàn (Nd:?, went down with all hands) năm 2000; chiếc K-159 đã chìm trong khi được lai dắt đến một bãi thải (Nd: scrapyard) năm 2003, với chín nhân mạng thiệt hại; và chiếc Nerpa đã có một tai nạn với hệ thống chữa cháy gây ra hai mươi cái chết vào cuối năm 2008.
Ấn Độ đã hạ thủy tàu ngầm chạy bằng hạt nhân tự đóng (Nd: locally built) đầu tiên của họ, chiếc INS
Một ngư lôi tàu ngầm của Bắc Triều Tiên đã đánh chìm một tàu Hải quân Nam Triều Tiên vào ngày 26 tháng Ba 2010 (Nd: Dịch tới đây vào ngày 8 tháng 8 năm 2010, 20:00. Chưa nghe nói quốc tế có kết luận gì về vụ này).[37]Đây là cú hạ sát đầu tiên bởi một tàu ngầm kể từ sự kết thúc của Chiến tranh lạnh.