Tuskin on kylmän sodan ikonisempaa laitteistoa kuin ydinkäyttöinen sukellusvene. Sekä ydinvoimalla että joissain tapauksissa ydinvoimalla varustetut sukellusveneet ovat kiertäneet maailman valtameriä ensimmäisen ydinsukellusveneen, USS Nautilus, julkaisun jälkeen vuonna 1954. Nykyään viisi maata (Yhdysvallat, Venäjä, Ranska) , Yhdistynyt kuningaskunta ja Kiina) käyttävät satoja ydinsukellusveneitä ympäri maailmaa. Kaikissa näissä maissa ohjuksia laukaisevat sukellusveneet muodostavat tärkeän osan ydinkolmikkoa, johon kuuluvat maalla olevat ohjukset, strategiset pommikoneet ja ballististen ohjusten sukellusveneet (SSBN).
Ydinsukellusveneellä on valtava etu verrattuna siihen, mitä se korvasi-dieselkäyttöiset sukellusveneet. Suuret, sotilaalliset dieselkäyttöiset sukellusveneet, jotka oli rakennettu vallankumouksellisen sodan jälkeen, tarvitsivat palamisilmaa tuottaakseen sähköä akuille. Sukellusaika rajoittui muutamaan päivään hitaalla nopeudella tai vain muutamaan tuntiin huippunopeudella. Tarve nostaa sukellusveneet uudelleen pinnalle ovat suuri hyökkäysriski. Sitä vastoin ydinvoimalla toimivat sukellusveneet ovat itsevoimaisia, ja niiden sukellusaikoja rajoittavat yleensä vain saatavilla oleva ruoka ja miehistön järki. Nykyaikainen ydinsukellusvene voi toimia koko 20 tai 40 vuoden elinkaarensa ilman tankkausta.
Ydinsukellusveneet ovat yleensä erittäin kalliita, kalliimpia kuin kalleimmat ja hienostuneimmat ilmapommikoneet. Virginia -luokan sukellusvene, jota parhaillaan rakennetaan Yhdysvaltain laivastolle, maksaa noin 1.8 miljardia dollaria yksikköä, osittain mittakaavaetujen puuttumisen sekä korkeiden turvallisuus- ja luotettavuusvaatimusten vuoksi. Sukellusveneiden runko on muotoiltava erittäin tarkasti, jotta sukellusvene pystyy kestämään suurimman mahdollisen rungon paineen syvien sukellusten aikana. Nykyaikaisten ydinsukellusveneiden koesyvyys (suurin sallittu syvyys rauhan aikana) on noin 1,600 jalkaa (488 m), jolloin paine on noin 48 kertaa suurempi kuin pinnalla.
Vain maailman ydinvoimat käyttävät ydinsukellusveneet jaetaan yleensä kahteen luokkaan: hyökkäysydinsukellusvene ja ballististen ohjusten ydinsukellusvene. Hyökkäyssukellusveneet, kuten Seawolf-, Los Angeles- ja Virginia -luokka, on aseistettu kymmenillä torpedoilla ja risteilyohjuksilla, jotka voivat iskeä kohteisiin satojen kilometrien päässä. Ballististen ohjusten sukellusveneet, kuten Ohio-luokka, kuljettavat jokaisessa 24 ydinkärkistä Trident-ballistista ohjusta.