Первый подводный атомоход практически сразу же приступил к освоению арктического района. В 1959 году К-3 под командованием капитана 1 ранга Л.Г.Осипенко прошла под арктическими льдами 260 миль. 17 июля 1962 г. эта АПЛ выполнила переход к Северному полюсу, однако всплыть на поверхность помешал плотный ледовый покров, толщина которого достигала 12 м.
Вскоре после арктического похода подводной лодке К-3 было присвоено название «Ленинский комсомол».
В дальнейшем К-3 прошла модернизацию, заключавшуюся в проведении ряда доработок, повысивших надежность паропроизводительной установки, замене некоторого оборудования, установке новой системы торпедной стрельбы, усовершенствовании радиоэлектронного оборудования. Антенну ГАС «Арктика-М» перенесли из ограждения рубки в носовую оконечность лодки, где был сформирован выступающий за обводы корпуса наплыв, а над торпедными аппаратами была размещена антенна новой шумопеленгаторной станции МГ- 10.
По своим основным характеристикам АПЛ проекта 627 значительно превосходила первенца американского атомного подводного флота – лодку SSN-571 «Наутилус», вступившую в строй в сентябре 1955 г. (на 3,5 года раньше, чем К-3). В частности, советская субмарина имела значительно большую подводную скорость (около 30 уз против 22 уз у американского аналога) и предельную глубину погружения (соответственно, 300 и 210 м).
Эксплуатация АПЛ «Ленинский комсомол» продолжалась до 1991 года, при этом лодка несла службу наравне с другими атомоходами. В августе 1967 г., во время возвращения с боевой службы, в Норвежском море на борту лодки возник пожар, вызванный возгоранием гидравлики. В результате аварии погибло 39 человек.
После списания «Ленинского комсомола» существовали планы переоборудования его в корабль-музей (соответствующий проект был разработан КБ «Малахит»), Однако по ряду причин этого не случилось.
22 октября 1955 г. Совет Министров СССР принял постановление о разработке на основе АПЛ проекта 627 серийной атомной подводной лодки проекта 627А (шифр «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 «Арктика-М» ее антенну разместили в килевой части носовой оконечности в специальном наплыве. Над торпедными аппаратами установили антенну шумопеленгаторной станции МГ-10.
Весной 1956 года в СКБ-143 был разработан технический проект усовершенствованного корабля, а осенью того же года была завершена переработка рабочих чертежей и эксплуатационной документации. В 1955 году, не дожидаясь результатов испытания первого атомохода и завершения проектных работ, в Северодвинске развернулись работы по строительству серии из 12 кораблей проекта 627А. Первая АПЛ – К-5 – была заложена в августе 1956 г., спущена на воду в сентябре 1958 г., а вошла в строй Северного флота 27 декабря 1959 г. В ходе испытаний К-5, при мощности энергетической установки, составляющей 80% от номинальной, была достигнута самая высокая в мире скорость длительного подводного хода – 28 узлов. Расчеты показывали, что при выходе на максимальную мощность скорость должна была достичь 30 узлов.
Длина наибольшая 107,4 м
Ширина наибольшая 7,9 м
Средняя осадка 5,7 м
Водоизмещение нормальное 3101 м
Запас плавучести … 30 %
Предельная глубина погружения 300 м
Полная скорость подводного хода 30 уз
Надводная скорость . 15 уз
Автономность 50 сут.
Экипаж 110 чел.
Вслед за К-5 в состав Северного флота 31 августа 1960 г. вошла вторая однотипная лодка – К-8. Затем последовали К-52 (23 декабря 1961 г.), К-21 (23 декабря 1961 г.), К-11 (23 декабря 1961 г.), К-133 (16 октября 1962 г.), К-181 (16 октября 1962 г.); К-115 (30 декабря 1962 г.), К-152 (4 ноября 1961 г.), К-42 (4 ноября 1963 г.) и К-50 (20 декабря 1963 г.).
Экипажи для первых серийных атомоходов формировались в Ленинграде на базе дивизиона строящихся ПЛ 615-го проекта. В конце 1957 года дивизион строящихся АПЛ был переведен в Северодвинск. Офицеры электромеханических боевых частей, а также командиры лодок проходили стажировку в Обнинске.
Первым местом базирования атомоходов стала Западная Лица, где началось формирование бригады АПЛ. В августе 1961 г. разросшаяся бригада была реорганизована в две дивизии. Все лодки проектов 627 и 627А вошли в состав дивизии с тактическим номером «3» (дивизия «31» укомплектовывалась лодками 658-го проекта). По системе НАТОвской индексации кораблям проектов 627 и 627А было при-. своено обозначение November.