Le Nautilus réalise sa première sortie en mer le , depuis le chantier naval Electric Boat de Groton dans le Connecticut. Il mesure 98,7 mètres de long pour plus 3 533 tonnes de déplacement en plongée[2]. La propulsion nucléaire lui procure une autonomie sans précédent (plusieurs semaines d'immersion et jusqu'à 140 000 kilomètres en vitesse « de croisière »). Les avantages stratégiques et tactiques de la propulsion nucléaire vont bien au delà de l'autonomie : elle transcende les capacités du bâtiment[non neutre]. Lors des essais du Nautilus puis du Seawolf, l'US Navy est stupéfaite par les performances tactiques de ses deux premiers prototypes de sous-marins nucléaire d'attaque[3] :
« Les premiers essais, en , dépassent les prévisions les plus optimistes. Le Nautilus échappe facilement au groupe du porte-avions anti-sous-marin qui le traque et aux torpilles qui sont tirées sur lui. Les évaluations opérationnelles concluent qu'un sous-marin nucléaire d'attaque pourrait détruire huit bâtiments de surface, dont le porte-avions, avant d'être lui-même neutralisé. Entre 1955 et 1957, le Nautilus subit plus de cinq mille attaques et n'est « détruit » qu'à trois reprises. Ses chances de survie sont cent fois supérieures à celles d'un bâtiment conventionnel.[…] Ces remarquables résultats justifient l'abandon immédiat de la construction des sous-marins conventionnels, nonobstant le coût trois fois supérieur d'un sous-marin nucléaire.[…]
Le Seawolf va néanmoins être confronté au Nautilus dans des essais destinés à évaluer les performances d'un sous-marin nucléaire contre un autre sous-marin nucléaire. Ils semblent impuissants l'un contre l'autre. À grande vitesse ils se détectent de loin mais la portée insuffisante des torpilles interdit l'engagement. À faible vitesse, ils se détectent à courte distance mais peuvent s'échapper avant que la direction de lancement des torpilles ait pu calculer une solution de tir. Le risque de se torpiller soi-même n'est pas nul si le sous-marin monte en vitesse pour chasser son congénère[3]. »
— J.-M. Mathey & A. Sheldon-Duplaix, Histoire des sous-marins ; des origines à nos jours
Le Nautilus sert de modèle pour la construction de la première centrale électronucléaire : le réacteur nucléaire de Shippingport, qui produisit de l'énergie de jusqu'en 1982.
Le , à 11 h 15, commandé par William R. Anderson, il devint le premier bâtiment à naviguer sous la banquise du pôle Nord. À cette occasion, chacun des sous-mariniers embarqués a essayé d'entrer dans l'histoire en étant le premier à faire telle ou telle chose en ce lieu mythique (premier à prendre une douche, à laver son linge, et ainsi de suite)[4].
Après son périple sous la calotte glaciaire, il retourne à la base de l'île de Portland (Grande-Bretagne) où il reçut la première Presidential Unit Citation décernée en temps de paix[5].
↑Jean-Marie Mathey et Alexandre Sheldon-Duplaix, Histoire des sous-marins : des origines à nos jours, Boulogne-Billancourt, E-T-A-I, , 192 p. (ISBN2-7268-8544-6), p. 98