各國海軍會使用大大小小、各種型號的潛艇，這些潛艇隱藏在幽深黑暗的水域中慢慢靠近目標，收集信息或發射導彈。它們通常可以分為兩類：攻擊型潛艇，用於搜索和摧毀敵艦;彈道導彈潛艇，用於攻擊陸地目標。
除了在軍事方面的應用，潛艇在研究海洋環境方面的用處也非常大，它可以承受巨大的海底壓力，帶着潛水員到達海洋深處。近年來，新型的無人水下航行器開始在水中執行危險的任務，而人們只需安全地留在岸邊或附近的船隻上，遠距離操控航行器。雖然目前這些航行器的航程仍十分有限，但在未來，它們將完全取代潛艇。
除了流線型的外殼，潛艇還有一個能夠承受強大水壓的堅固內殼。加壓氣罐可以為潛艇內部提供氧氣，或者電流分解海水也可以產生氧氣和氫氣。潛艇員呼出的二氧化碳可以通過鹼石灰捕獲去除(鹼石灰中的成分可與二氧化碳發生化學反應、吸收二氧化碳)。淡水也可以在潛艇中生產，海水加熱後會變成水蒸氣，水蒸氣冷凝就會變成可以喝的水。
潛艇員有時需要在狹窄的環境中生活幾個月之久，這樣的生活對潛艇員的身體、精神都有很高的要求。需要長期作業的大型潛艇可以承載60人至200人，在過去，潛艇員無法和外界溝通，只能與其他潛艇員作伴，但今天，他們可以使用電子郵件與家人保持聯繫。當然，人類的身體並不適合水下生活，實現人類在潛艇中生活的願望，還需要一些技術的支持。
當碰撞或爆炸等事故造成潛艇受損時，潛艇員可以通過無線電發出求救信號，同時發射一個浮標，以顯示潛艇的位置。然後，一種名為深潛救生艇的微型潛艇就會潛入深海，利用聲納搜尋失事潛艇。當深海救生艇鎖定目標後，它會通過艙門與失事潛艇相對接，營救潛艇內的人員，再將他們轉移到船上。某些型號的深潛救生艇一次最多可以承載24人。
目前現代潛艇的最高時速為75千米/小時左右，對比超音速飛機，潛艇的最大時速似乎太慢了，這是因為液體會比空氣產生更大的阻力，潛艇需要更大的動力和能量才能克服阻力。不過，哈爾濱工業大學的研究人員正在設想一種技術，可以讓潛艇以音速航行，即在海水中以1000多千米/小時的速度航行。他們的方法以超空泡為基礎，其原理是在船艇等物體表面和水之間產生一個氣體空腔，船艇等物體在氣體空腔中前進，就可以減小阻力，使船艇等達到更快的速度。然而，超空泡技術存在一個問題，即超空泡潛艇的船舵將無法利用水來實現轉向。為了克服這一問題，科學家們創造了一種液體，該液體可以被噴灑在潛艇的一側，減少該側的阻力，利用潛艇兩側的阻力差來轉向。不過，到目前為止，超空泡潛艇還處於設想階段。
因為潛艇員水下作業的危險性很高，所以世界各國的海軍都在開發和使用無人水下航行器來進行水下作業。無人水下航行器的重要應用之一就是掃雷，它們可以搜尋和破壞水下炸藥，同時保證附近船隻上的船員不受傷害。除了協助軍方的工作，無人水下航行器還可以攜帶各種攝像頭和傳感器，來協助水下科學研究。水下無人機可以調查和監控人類難以到達的地方，並收集自然環境中海洋野生動物的信息。例如，美國伍茲霍爾海洋研究所的無人機首次讓科學家們觀察到了大白鯊在水下的捕獵行為，這表明大白鯊在伏擊獵物前會利用深海黑暗的環境來隱藏自己。
隨着技術的飛速發展，水下潛艇將會更加多元化，除了前文中提到的超音速潛艇和無人水下航行器，超隱形潛艇也是未來最重要的潛艇類型之一。2015年3月份，瑞典薩博國防安全公司的A26型潛艇計劃正式立項，這是一種連發動機和螺旋漿的聲音都可以隱藏的超級隱形潛艇。隨着情報收集和沿海監視變得越來越重要，這些高科技潛艇將能夠在淺水區作業，在收集更多信息的同時避免被敵軍發現。該項目預計於2022年完工，屆時A26潛艇將搭載26名船員，潛入200米深處，為瑞典海軍贏得更多的軍事優勢。
世界上第一艘潛艇是由荷蘭工程師科尼利斯·德雷爾發明的。這是一艘密閉的木製划艇，上面覆蓋着防水油皮，一些空氣管伸出水面獲取氧氣。
第一艘攻擊型潛艇出現在美國獨立戰爭時期，它的出現是為了摧毀英國軍艦“鷹”號，然而船員卻無法將炸彈裝載在船體上。
美國人羅伯特·富爾頓發明了鸚鵡螺號潛艇，該潛艇配備了手動螺旋槳和可拆卸的桅杆和船帆。拿破崙曾使用鸚鵡螺號對抗英軍。
普隆熱爾號是世界上第一台不需要人力驅動就能行進的潛艇。它由法國海軍製造，使用壓縮空氣驅動的往復機作為動力。不過，由於發動機等問題，該潛艇並未真正投入使用。
愛爾蘭工程師約翰·飛利浦·荷蘭是第一個使用電動機和內燃機為水下潛艇提供動力的人。後來，美國海軍買走了荷蘭的設計，在一戰和二戰期間，荷蘭號曾在美國海軍服役。
