Поисковые (чисто теоретические) работы по исследованию облика атомной подводной лодки начались в СССР в 1949 г., когда были достигнуты первые реальные результаты в создании советского ядерного оружия и уже четыре года работал исследовательский ядерный реактор.
В 1950 году об этих исследованиях в конфиденциальном порядке были оповещены некоторые командующие флотами (в частности, командующий СФ Северный флот, где в первую очередь намечалось внедрение новой техники). 9 сентября 1952 г. И. В. Сталин подписал постановление Совета Министров СССР «О проектировании и строительстве объекта "627 Кит"». В соответствии с этим документом для проведения работ по созданию атомной подводной лодки в Москве, в обстановке чрезвычайной секретности, были сформированы две группы конструкторов и ученых, одной из которых, руководимой В. Н. Перегудовым, было поручено проведение проектной проработки собственно корабля, а второй, возглавляемой Н. А. Доллежалем, — его энергетической установки. Научным руководителем всех работ по созданию первой отечественной АЛЛ был назначен директор института атомной энергии АН Hospital Ship (госпитальное судно) СССР академик А. П. Александров.
Естественно, наиболее сложной проблемой была разработка ядерной энергетической установки, которую можно было разместить на борту столь специфического транспортного средства, как подводная лодка. Первая советская чисто «земная» атомная энергетическая установка мощностью 5 мВт была введена в строй в Обнинске в 1954 г. (она использовалась для электроснабжения города). Затем последовал первый корабельный реактор (самый мощный в мире для своего времени), предназначенный для установки на «мирном» атомном ледоколе «Ленин», который являлся фактически опытным судном, служившим для отработки корабельной силовой установки. Ответственным за разработку паропроизводящей установки для подводной лодки стал НИИ Научно-исследовательский институт-8 Министерства среднего машиностроения, возглавляемый Н. А. Доллежалем. Проектирование паротурбинной силовой установки выполняло СКВ Кировского завода (главный конструктор М. А. Казак) совместно с СКВ-143. Электрооборудование создавалось заводом «Электросила».
Пуск опытного «лодочного» реактора, смонтированного в подмосковном Обнинске, состоялся 8 марта 1956 г. Однако «первый блин вышел комом» — из-за конструкционного недостатка крышки реактора сразу же возникла протечка радиоактивной воды. В дальнейшем конструкция крышки была изменена. Не сразу сформировались и требования к ядерной безопасности корабельных энергетических установок. Так, в начале 50-х годов высказывалось предложение, что перегрузку радиоактивного горючего можно будет проводить прямо в открытом море (разумеется, принятие подобных предложений привело бы к облучению каждого, принимающего участие в подобной операции). Опытная атомная подводная лодка "627 Кит" предназначалась в первую очередь для всесторонних испытаний в морских условиях первого образца ядерной энергетической установки с водо-водяным реактором. Однако она рассматривалась и как головной образец новой стратегической системы оружия, предназначенной для борьбы с основным «потенциальным противником» — США. В соответствии с первоначальным замыслом, предложенным учеными и одобренным политическим руководством страны, атомоход должен был наносить ядерные удары по военно-морским базам и другим стратегическим целям, расположенным на побережье противника. Для этого его предполагалось вооружить сверхмощной парогазовой торпедой Т-15 (калибр 1550 мм, длина 24 м, дальность хода 40—50 км), оснащенной ядерной боевой частью (габаритами последней и определялись столь чудовищные размеры торпеды). Работы групп проектантов велись в обстановке повышенной секретности, с привлечением крайне узкого круга участников. При этом к ним на первом этапе реализации программы практически не привлекались специалисты ВМФ Военно-морской флот, что негативно сказалось на формировании облика подводной лодки. В марте 1953 г. группа В. Н. Перегудова завершила работу над эскизным проектом АПЛ Атомная подводная лодка. Первый советский атомоход должен был иметь двухкорпусную архитектуру с необычайно большим удлинением и поперечным сечением, близким к круговому. Двухвальная силовая установка должна была обеспечить достижение максимальной подводной скорости не менее 25 узлов. Максимальная глубина погружения АПЛ Атомная подводная лодка "627 Кит" по сравнению с тогдашними отечественными и зарубежными дизель-электрическими подводными лодками возрастала в полтора раза (до 300 м).
Автономность подводного плавания "627 Кит" должна была составить 50 — 60 суток, что предъявляло новые, значительно более высокие требования к системе жизнеобеспечения корабля.
Полномасштабная разработка опытной АПЛ Атомная подводная лодка 627-го проекта, получившей шифр «Кит», была весной 1953 г. передана ленинградскому СКВ-143 (позже известному как ПКБ «Малахит»).
В мае 1954 г. завершились работы над техническим проектом АПЛ Атомная подводная лодка, а в июле к участию в программе наконец были привлечены военно-морские специалисты. Их заключение по проекту новой лодки было далеко не благоприятным: была отмечена проблематичность использования корабля по своему основному назначению — нанесению ядерных ударов по прибрежным объектам на территории потенциального противника. Кроме того, указывалось на недостаточную скорость полного хода, слабое торпедное вооружение, высокую шумность, низкие ресурс и ремонтопригодность, другие недостатки. Это привело к внесению в проект ряда радикальных изменений: АПЛ Атомная подводная лодка лишилась «суперторпеды» Т-15, получив взамен усиленное обычное торпедное вооружение. В результате потребовалась почти полная переделка носовой части корпуса до второго отсека включительно. Повышалась максимальная подводная скорость корабля. В то же время сохранились основные «корабельные» элементы первоначального проекта. Подводная лодка была переориентирована на борьбу с боевыми кораблями и транспортами противника. Компоновка помещений лодки (впервые в отечественном подводном кораблестроении) отрабатывалась на специальных деревянных натурных макетах, выполнявшихся для всех отсеков АПЛ Атомная подводная лодка.
К разработке рабочих чертежей АПЛ Атомная подводная лодка "627 Кит" приступили в марте 1954 г., еще до окончательного утверждения технического проекта, а в июне 1954 г. на заводе № 402 в г. Молотовске (ныне Северное машиностроительное предприятие в г. Северодвинске) в обстановке чрезвычайной секретности, в специально отгороженном участке эллинга начались работы по постройке первого отечественного подводного атомохода.
Прочный корпус изготавливался из стали АК Cargo Ship (сухогрузный транспорт)-25 и разделялся на девять водонепроницаемых отсеков: 1-й - носовой торпедный, 2-й - аккумуляторный и жилой, 3-й - отсек центрального поста, 4-й - отсек вспомогательного оборудования, 5-й - реакторный отсек, 6-й - турбинный отсек, 7-й - электромеханический отсек, 8-й и 9-й - жилые отсеки и отсеки корабельных систем. Корабль был оснащен атомной энергетической установкой с номинальной мощностью 35 000 л. с., включающей два водо-водяных реактора ВМ-А по 70 мВт (размещенных последовательно друг за другом в диаметральной плоскости корабля в средней части корпуса) с парогенераторами (побортно от них) и два турбозубчатых агрегата 60-Д суммарной мощностью 35 000 л. с. Для АПЛ Атомная подводная лодка были разработаны специальные малошумные винты регулируемого шага (ВРШ). Реакторный отсек оснастили железоводной биологической защитой, обеспечивающей радиационную безопасность экипажа. Имелось два дизельгенератора постоянного тока ДГ-400 (с дизелями М-820). Вспомогательные гребные электродвигатели обеспечивали движение со скоростью до 8 узлов. Для повышения акустической скрытности лодки основное оборудование амортизировалось, применялись вибродемпфирующие покрытия, легкий корпус корабля также (впервые в мире на АПЛ Атомная подводная лодка) получил противогидролокационное покрытие. Однако, несмотря на принятые меры, по уровню шумов первый советский атомоход значительно превосходил своих американских аналогов. Лодка оснащалась гидроакустическим вооружением, основу которого составляла гидроакустическая станция (ГАС Гидро-аккустическая станция) МГ-200 «Арктика-М», работающая в режиме шумо и эхопеленгования. Антенна станции располагалась в передней части ограждения рубки. Кроме того, имелись ГАС Гидро-аккустическая станция обнаружения гидроакустических сигналов и звукоподводной связи «Свет», шумопеленгаторная станция «Марс-16КП» и гидролокационная станция обнаружения подводных препятствий «Луч». Радиолокационное вооружение включало РЛС Радио-локационная станция обнаружения надводных целей и управления торпедной стрельбой «Призма» и станцию радиолокационной разведки «Накат». Средства радиосвязи были аналогичны использованным на ДЭПЛ Дизель-электрическая подводная лодка проектов 611 и 613. Состав штурманского вооружения был дополнен навигационной системой «Плутон», обеспечивающей кораблевождение и использование оружия при плавании в пределах 80° северной и южной широт. Торпедное вооружение полностью размещалось в носовой части лодки. Оно включало восемь 533-мм ТА Торпедный аппарат с общим боекомплектом 20 торпед СЭТ-65 или 53-65К. Впервые в советском подводном флоте обеспечивалась возможность торпедной стрельбы на глубинах до 100 м. Выработка данных для торпедной стрельбы обеспечивалась автоматом «Торий».
22 октября 1955 г. Совет Министров СССР принял постановление о разработке на основе АЛЛ проекта "627 Кит". При сохранении основных технических решений, оборудования и главной энергетической установки, новые субмарины должны были иметь повышенную живучесть и надежность, усовершенствованное штурманское вооружение. Для создания более благоприятных условий работы ГАС Гидро-аккустическая станция «Арктика-М» ее антенну разместили в килевой части носовой оконечности в специальном наплыве. Над торпедными аппаратами установили антенну шумопеленгаторной станции МГ-10.
Весной 1956 г. в СКБ-143 был разработан технический проект усовершенствованного корабля, а осенью того же года была завершена переработка рабочих чертежей и эксплуатационной документации. В 1955 г., не дожидаясь результатов испытания первого атомохода и завершения проектных работ, в Северодвинске развернулись работы по строительству серии из 12 кораблей проекта 627А.
Первоначально надежность лодок проекта "627 Кит" и 627А была относительно низкой. Причина этого крылась в первую очередь в низком ресурсе парогенераторов главной энергетической установки. Уже через несколько сот часов работы в трубных пучках парогенераторов возникали микроскопические трещины, сквозь которые вода из первого контура попадала во второй контур, повышая в нем уровень радиоактивности.
Увеличение интенсивности боевой службы и задействование атомных подводных лодок быстро принесло свои плоды: если в 1964 г. дизель-электрическими подводными лодками в ходе БС было достигнуто 16 обнаружений подводных целей, то в 1965 г., когда «на сцену» вышли атомные подводные лодки "627 Кит", число обнаружений возросло до 42. Однако следует признать, что АПЛ Атомная подводная лодка первого поколения не предназначались для охоты за субмаринами противника: была велика их шумность, гидроакустическое оборудование имело относительно низкие характеристики. Поэтому контакты с американскими атомными подводными лодками имели, как правило, кратковременный характер, и длительного слежения за ними установить не удавалось. В то же время следует заметить, что и американский флот, располагая к середине 1960-х гг. специализированными малошумными противолодочными АПЛ Атомная подводная лодка типа Пермит, также не смог обеспечить регулярное слежение за советскими ракетными атомоходами 1-го поколения, обладавшими относительно высокой шумностью.