20 июля 1951 года военно-морской министр вице-адмирал Н. Г. Кузнецов заслушал руководство МГШ и Главного оперативного управления о реализации 10-летнего плана кораблестроения. Был сделан вывод о несоответствии его новым требованиям, предъявленным к флоту ходом его послевоенного развития. 1 сентября 1951 года Н. Г. Кузнецов направил в правительство доклад
о 10-летнем плане кораблестроения с предложением объединить усилия всех ведомств в целях «применения внутриядерной энергии для движения».

Министерство среднего машиностроения приступило к реализации этой идеи с 12 сентября 1952 года, сразу после того как И. В. Сталин подписал представленный министром судостроительной промышленности В. А. Малышевым проект постановления правительства
о создании атомной подводной лодки, разработанный аппаратом Судпрома на основании докладной записки И. В. Курчатова, А. П. Александрова и Н. А. Доллежаля.

Научным руководителем проекта, которому присвоили номер 627, был назначен
А. П. Александров, главным конструктором паропроизводительной установки (ППУ) –
Н. А. Доллежаль, а главным конструктором подводной лодки – В. Н. Перегудов. 

Главный конструктор АПЛ пр. 627 В. Н. Перегудов. 

Строительство корабля поручалось Северодвинскому заводу, директором которого в это время был
Е. П. Егоров. Осенью 1952 года был создан научно-исследовательский и конструкторский институт энергетической техники – НИКИЭТ (НИИ-8) под руководством Н. А. Доллежаля. А весной 1953-го для разработки проекта атомной подводной лодки было перепрофилировано Специальное конструкторское бюро № 143 (СКБ-143), находившееся в Ленинграде.

Заказчиком первой атомной подводной лодки выступало Главное управление Совета министров СССР, поскольку первоначально она рассматривалась как средство доставки
к берегам США ядерного оружия. Очевидно, поэтому (для обеспечения самого строгого режима секретности) Военно-морской флот к разработке подводной лодки проекта 627 не привлекался. Из моряков к проекту был допущен только контр-адмирал П. Ф. Фомин, начальник отдела атомного оружия Главного штаба ВМФ, причем не ко всему, а только в части, касающейся ее торпедного вооружения, которое первоначально создавалось для стрельбы торпедой гигантских размеров (калибр 1550 мм, длина 23 м, вес до 40 т) и с огромной дальностью хода (до 30 км со скоростью 29 узлов), предназначавшейся для уничтожения ядерными взрывами военно-морских баз вероятного противника вместе с находящимися в них боевыми кораблями. Она была рассчитана для доставки к цели ядерного заряда массой 3,5–4 т.

В июле 1954 года, когда к ознакомлению с проектом были впервые допущены специалисты ВМФ под руководством контр-адмирала А. Е. Орла, их возражения вызвало вооружение подводной лодки только одной такой торпедой. Двух торпед калибра 533 мм, предусмотренных конструкторами для ее самообороны, по мнению моряков, было недостаточно. Их поддержал Главнокомандующий ВМФ Н. Г. Кузнецов, заявивший, что флоту такой корабль не нужен.

Была проведена экспертиза проекта, исключение из процесса создания подводной лодки Главкомата Военно-Морского Флота признали ошибочным, и после корректировки проекта
в середине 1955 года гигантскую торпеду заменили 8 носовых торпедных аппаратов обычного размера калибром 533 мм, после чего основным тактическим предназначением первой советской атомной подводной лодки стало уничтожение боевых кораблей и транспортов вероятного противника на океанско-морских коммуникациях.

Между тем строительство подводной лодки, получившей при закладке, состоявшейся в июне 1954-го, наименование «К-3», велось высокими темпами. 24 сентября 1955 года она уже была спущена на воду. Швартовные испытания были проведены в период с сентября 1957-го по июль 1958 года. 3 июля 1958 года она была предъявлена к ходовым испытаниям.

Принималась она не Военно-морским флотом, а специальной правительственной комиссией под председательством вице-адмирала В. Н. Иванова и научного руководителя проекта
А. П. Александрова. Первым командиром «К-З» был капитан 1-го ранга Л. Г. Осипенко, его старшим помощником – капитан 2-го ранга Л. М. Жильцов, командиром электромеханической боевой части – инженер-капитан 2-го ранга Б. П. Акулов.

Первый командир первой советской атомной подводной лодки «Ленинский комсомол», капитан 1 ранга Л. Осипенко. 

В приемном акте комиссия отметила, что первая советская атомная подводная лодка «является крупнейшим научно-инженерным достижением в области подводного кораблестроения».

Отмечены также ее выдающиеся тактико-технические элементы, превышавшие соответствующие показатели дизель-электрических подводных лодок того времени по скорости подводного хода в 1,5–2 раза (при том что максимальную скорость ДЭПЛ могли развивать лишь кратковременно из-за большого расхода заряда аккумуляторных батарей), а по дальности плавания под водой – в 70–75 раз.

17 января 1959 года Совет Министров СССР утвердил приемный акт, и ВМФ принял «К-3»
в опытную эксплуатацию. В списках ВМФ подводная лодка «К-3» («Ленинский комсомол») состояла до 1988 года, совершив за это время 5 походов на боевую службу. Находясь в море
в общей сложности 14 115 ходовых часов, она в совокупности прошла 128 443 мили.