A hagyományos dízel-elektromos tengeralattjárók lehetőségeit behatárolták a víz alatti közlekedéshez használt villanymotorok energiaellátását biztosító akkumulátorok. A járművek legfeljebb egy napig maradhattak a felszín alatt, ahol mindössze 10 km/h sebességgel tudtak haladni, mindez a második világháború idején már sebezhetővé tette őket, hiszen könnyű volt felderítésük.

A tengeralattjárók forradalmát az atomenergia használata jelentette, amire először az amerikai katonai vezetés állt át. Az atommeghajtású tengeralattjáró nagy előnye, hogy a motor működéséhez nincs szükségük levegőre, így akár többször képesek megkerülni a Földet, folyamatosan a víz alatt hajózva.

Az amerikai atom-tengeralattjáró kifejlesztésére utasító memorandumot 1947-ben írta alá Chester W. Nimitz flottatengernagy, a kongresszus 1951 júliusában adta áldását a tervre. A hadijárművet a "nukleáris haditengerészet atyjaként" emlegetett Hyman G. Rickover admirális tervezte, és személyesen felügyelte az építést. A tengeralattjáróba beépíthető atomreaktort a Westinghouse Electric vállalat fejlesztette ki, az atomhajtómű 28 millió dollárba került, ami a hajó teljes építési költségének 31 százalékát tette ki. Az SSN-571 törzsszámon lajstromba vett jármű a Nautilus nevet kapta, építését a General Dynamics cég grotoni gyárában kezdték el 1952. június 14-én Harry S. Truman elnök jelenlétében.

A hagyományos hajótestű jármű 98 méter hosszúsággal, 8,5 méter szélességgel, 3533 tonna felszíni, illetve 4092 tonna merülési vízkiszorítással, 23 csomós (43 km/óra) merülési sebességgel szerepel a tengerészeti típuskönyvekben. Az orr-részbe beépített hat torpedóindító csövet 533 milliméter átmérőjű torpedók kilövésére tervezték. A 600 köbméter térfogatú S2W reaktor 950 tonnájával a hajó teljes tömegének mintegy harmadát tette ki, és 12 méter hosszan teljesen elfoglalta a hajótörzset. A két gőzturbina a hajócsavarokra 15 ezer lóerő összteljesítményt tudott leadni.

Az úgynevezett segédüzem energiaigényét is az atomhajtómű elégítette ki: négy 650 kilowattos turbógenerátor látta el a személyzet biztonságát és kényelmét, a bonyolult és nagy energiaigényű fegyverrendszerek állandó harckészültségének biztosítását, a légkondicionálástól a tengervízből való ivóvíznyerésen keresztül az élelmiszertartósításig, a hidroakusztikus készülékek működtetésétől az elektronikus számítógépek táplálásán keresztül a rádiólokátorok, a belső híradás és összeköttetés, az ellenőrző és vezérlő rendszer, a válsághelyzeti automatikák sokszorozva rendszeresített komplexumának biztonságos üzemeltetéséig.

A Nautilus 1954. január 21-ei vízre bocsátásakor az akkori First Lady, Mamie Eisenhower csapta a hagyományos pezsgősüveget a hajótesthez. A tengeralattjáró 1954. szeptember 30-án Eugene P. Wilkinson parancsnoksága alatt állt szolgálatba, fedélzetén 13 tisztből és 92 sorkatonából álló legénységgel.

A világ első atom-tengeralattjárója 1955. január 17-én, délelőtt 11 órakor futott ki először, és a mélybe ereszkedve elküldte történelmi üzenetét: "Underway on Nuclear Power" (Viz alatti menet atommeghajtással). A Nautilus már próbaútjai során több rekordot megdöntött: 1955. májusában New Londonból a Puerto Ricó-i San Juanba hajózva 2100 kilométert tett meg felszínre emelkedés nélkül, a 2223 kilométerre levő célállomásra nem egészen 90 óra alatt ért el. Az 1958 júliusában-augusztusában végrehajtott Napsugár hadműveletben teljesítette az addig lehetetlent, elsőként navigált át az Északi-sark jégpáncélja alatt, az Északi-sarkot augusztus 3-án, 23 óra 15 perckor érte el.

Visszatérése után az Atlanti-óceánon szolgált, hadgyakorlatokon és kiképzéseken vett részt, majd 1979. május 26-ai utolsó víz alatti útját követően, 1980. március 3-án végleg kivonták a hadrendből. A Nautilus "békében" vonult nyugalomba, harci bevetésben soha nem vett részt.

Az 1982-ben nemzeti történelmi nevezetességgé nyilvánított atom-tengeralattjáró 1986 áprilisa óta a grotoni haditengerészeti múzeumban várja a haditechnika iránt érdeklődő látogatókat.

Az első atom-tengeralattjáró megépítése új korszakot jelentett a haditengerészetben. A fejlesztésben az amerikaiakat (akiknek ma már nincs is hagyományos katonai tengeralattjárójuk) a Szovjetunió 1958-59-ben, Nagy-Britannia 1963-ban, Franciaország 1969-ben, a Kínai Népköztársaság 1971-ben követte. India 2009-ben avatta fel első saját gyártású atom-tengeralattjáróját, amelyet várhatóan az idén állít szolgálatba.