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1959年2月4日，中苏签订第二个海军订货协定，苏联向中国有偿转让R级常规动力攻击潜艇和G级常规动力导弹潜艇建造权，并提供设计图纸资料和一批器材设备。1960年中苏关系破裂，苏联政府撤走专家，同时中断器材供应。面对困难，中国决心按图纸资料自行建造。1963年8月，中国仿制的第一艘R级常规动力攻击潜艇下水，1965年9月验收入列，代号033型。中国仿制的第一艘G级常规动力导弹潜艇于1964年9月下水，1966年8月入列，代号031型。1969年6月22日，全部采用国产材料设备建造的第一艘033型潜艇交付海军潜艇部队使用。通过苏式潜艇的仿制和国产化，使中国造船工业水平和海军潜艇部队战斗力有了很大提高，培养和锻炼了一大批科技人才和造船技术工人，为下一步自行研制新型潜艇打下了坚实的基础。1969年10月，中国自行设计的第一艘常规动力攻击潜艇开工建造，1971年7月下水，1974年4月交付海军潜艇部队使用，代号035型（明级）。标志着中国常规动力潜艇由转让制造、仿制生产走向自行设计研制的阶段。
随着潜艇数量的增多和电子设备的发展，海军潜艇部队活动范围逐步扩大延伸至太平洋西部和中部海域。1976年12月，东海舰队252艇首次突破第一岛链进入太平洋西部进行远航训练，吹响了中国海军向太平洋进军的号角。1980年3月，东海舰队256艇又突破第二岛链进入太平洋中部，标志着中国海军潜艇部队已具备中远海作战能力。核动力应用于潜艇是第二次世界大战之后潜艇发展的历史性突破。核潜艇具有常规潜艇无法比拟的隐蔽性好，机动性高，航速快，活动范围广，续航能力大、战斗力强等优势。自从1958年6月中国第一座核反应堆开始运转以后，为了保卫共和国漫长的海岸线，中国决心建造自己的核潜艇。面对苏联以组建联合舰队为筹码给予帮助的条件，毛泽东发怒了，誓言：“核潜艇，一万年也要搞出来”。 1958年6月27日，毛泽东批准了国防工业委员会《关于研制导弹原子潜艇》的绝密报告。在聂荣臻元帅的主持下，中国开始了研制核潜艇的艰难历程。
中国在第一艘攻击型核潜艇编入海军战斗序列后，加快了研制战略导弹核潜艇的步伐。1981年4月，中国第一艘战略导弹核潜艇下水，1983年8月正式加入海军战斗序列，代号091型（夏级）。 自1979年底起，中国就开始了潜地固体战略导弹的研制。1982年10月12日，中国第一枚潜地固体战略导弹“巨浪-1号”首次由031型（G级）常规动力导弹潜艇水下发射试验成功。中国一跃成为世界上第5个拥有水下发射战略导弹能力的国家。这在国际上引起了巨大的反响。美国《海军学会会报》评论说：“当中国宣布她从潜艇上发射弹道导弹试验成功时，事情已经变得十分清楚，中华人民共和国即将成为世界第五个拥有一支以海洋基地具有威慑力量的核大国。”英国《每日电讯》评论：“中国水下发射战略导弹成功，意味着中国将拥有一支以潜艇为基地的核打击力量，这是任何潜在的袭击者都必须考虑的。” 1988年9月15日，中国自行研制的091型（夏级）战略导弹核潜艇水下发射“巨浪-1号”战略导弹试验获得圆满成功。随后“巨浪-1号”导弹设计定型并装备部队。中国从此拥有了海上核反击力量。这再次引起了世界的震惊。美联社评论说：“中国核潜艇水下发射运载火箭成功，表明中国海军起了质的变化，已经拥有发动海上进攻的能力。”法新社称：“中国海军已不再是一支只能在近海巡逻的海岸警备队。中国的军事实力有了明显的加强。”