Первая в мире атомная подводная лодка «Наутилус» была спущена на воду 21 января 1954 года. «Наутилус», пройдя в подводном положении подо льдами, достиг Северного полюса, став первым кораблем в истории человечества, прошедшим эту точку Земли своим ходом.

От дизель-электрических лодок «Наутилус» отличался не только наличием новой энергетической установки, но также конструкцией корпуса, расположением цистерн, помещений и оборудования. В то же время, по форме наружных обводов корпуса лодка не отличалась от дизель-электрических.

При водоизмещении Наутилуса около 4 000 тонн двухвальная атомная энергетическая установка суммарной мощностью 9860 кВт обеспечивала мощность 13 800 лошадиных сил и скорость более 20 узлов. Продолжительность плавания зависела только от исправной работы средств регенерации воздуха, запасов продуктов и выносливости личного состава.

Удельная масса атомной установки оказалась очень велика, из-за чего на «Наутилусе» не удалось установить часть предусмотренного проектом вооружения и оборудования. Основной причиной утяжеления была биологическая защита, в состав которой входил свинец, сталь и другие материалы, всего около 740 тонн.

На новую субмарину была установлена однореакторная, двухвальная энергетическая установка. Реактор марки «S2W» фирмы «Вестингауз Электрик Корпорейшн», мощностью 9860 кВт. КПД энергетической установки достигал 16%. Корпус реактора весил около 35 тонн, имел форму цилиндра со сферической крышкой и полусферическим днищем.

Высота реактора была 3 метра, диаметр 2,7 метра. Корпус реактора крепился в вертикальном положении на основании цистерны водяной защиты которая, в свою очередь крепилась на фундаменте в трюме реакторного отсека.

Вместе с водяной и композитной защитой высота реактора составляла около 6 метров, а диаметр 4,6 метра. Активная зона реактора цилиндрической формы диаметром около 1 метра. Общий вес загрузки реактора около 100 килограмм. Для аварийных случаев и прибрежного маневрирования на лодке имелись два дизель-генератора, а также устройство типа шноркель.

По шумовым характеристикам лодка была крайне неудачной. Работающие турбины создавали сильную вибрацию, и сонар становился бесполезным уже на скорости в 4 узла. Лодка становилась «глухой», к тому же такая шумность демаскировала ее. В серию она не пошла, а негативный опыт был учтен при разработке последующих проектов.