Tháng 04/1954, Hải quân Mỹ đưa vào sử dụng tàu ngầm năng lượng hạt nhân đầu tiên của thế giới mang tên USS Nautilus (SSN-571) đã đặt ra nhiều thách thức cho hạm đội tàu ngầm Liên Xô. Trước tình thế đó, lãnh đạo Liên Xô đã yêu cầu phát triển một tàu ngầm sử dụng năng lượng hạt nhân để cân bằng với Mỹ.
Để phục vụ cho dự án đầy tham vọng này, hơn 135 tổ chức đã được huy động, trong đó có 20 phòng thiết kế, 35 viện nghiên cứu cùng 80 công xưởng tham gia vào việc thiết và chế tạo tàu ngầm mới trong giai đoạn 1952-1958.
Ban đầu, mục tiêu của dự án là phát triển một loại ngư lôi hạt nhân T-15 có đường kính siêu "khủng" để tiêu diệt các căn cứ hải quân Mỹ chỉ với một phát bắn. Ngư lôi siêu hạng T-15 có đường kính tới 1.550mm, chiều dài 23,5m, tầm bắn khoảng 40-50km.
Tuy nhiên các chuyên gia quân sự Liên Xô lúc đó cho rằng, việc tấn công tiêu diệt các tàu chiến, tàu vận tải của đối phương trên các đại dương cũng như các tuyến đường biển xa xôi có ý nghĩa quan trọng hơn. Mặt khác, việc tấn công thọc sâu vào căn cứ đối phương không phải là điều đơn giản. Cuối cùng tàu ngầm đề án 627 đã được thiết kế với 8 ống phóng ngư lôi 533mm thay cho kế hoạch ban đầu 1 ống phóng ngư lôi 1.550mm và 2 ống phóng ngư lôi 533mm.
Tàu ngầm hạt nhân đề án 627 Whale, NATO định danh November được thiết kế với 2 lớp vỏ thép áp lực cao cùng 9 khoang. Trong đó, có 3 khoang được trang bị vách ngăn áp lực cao làm nơi trú ẩn khẩn cấp khi xảy ra sự cố. Tàu ngầm lớp November được trang bị 2 lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng nước VM-A, công suất 70 MW mỗi lò, 2 tuabin hơi nước với tổng công suất 35.000 mã lực, 2 máy phát điện tubin GPM-21 công suất 1.400kW cùng 2 máy phát điện diesel DG-400 công suất 460 mã lực.
Tàu sử dụng hệ thống truyền động 2 trục, tốc độ khi nổi 15 hải lý/h, tốc độ tối đa khi lặn 28 hải lý/h. Thời gian hoạt động liên tục khoảng 50-60 ngày. Tàu ngầm hạt nhân lớp November có thể hoạt động ở độ sâu 300 mét. Tàu có chiều dài 107,4m, đường kính 8,3m, mớn nước 5,6m, lượng giãn nước khi nổi 3.065 tấn, khi lặn 4.750 tấn, thủy thủ đoàn 104 người.
Vũ khí chính trên tàu là 8 ống phóng ngư lôi 533mm sử dụng ngư lôi SET-65 hoặc 53-65K, cơ số ngư lôi mang theo 20 quả. Cảm biến chính của tàu là MG-200 Arktika-M, sử dụng để phát hiện mục tiêu dưới nước, sonar Luch để phát hiện chướng ngại vật dưới nước, radar Prizma để phát hiện mục tiêu mặt nước.
Tàu ngầm hạt nhân lớp November đi vào hoạt động ngày 12/03/1959, tổng cộng có 13 chiếc đã được đóng mới và đưa vào sử dụng trong hải quân Liên Xô. Sự xuất hiện của tàu ngầm tấn công hạt nhân lớp November đã làm cuộc đua tàu ngầm hạt nhân giữa 2 siêu cường Xô-Mỹ trở nên khốc liệt hơn.
Trong năm 1966, tàu ngầm lớp November K-181 đã theo sau đuôi tàu sân bay USS Saratoga (CV-60) trong 4 ngày liên tục. Điều đó chứng minh rằng, tàu ngầm tấn công hạt nhân của Liên Xô có thể đánh chìm hạm đội tàu sân bay của Mỹ khi cần thiết.
Tuy nhiên, độ tin cậy của tàu ngầm hạt nhân Liên Xô tương đối thấp, đặc biệt là lò phản ứng thế hệ đầu này rất dễ gặp sự cố, độ bức xạ tương đối cao, ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống của thủy thủ đoàn. Ít nhất một tai nạn thảm khốc đã xảy ra liên quan đến lò phản ứng hạt nhân trên tàu.
Tháng 03/1960, trong khi hoạt động trên biển Barrent, tàu ngầm hạt nhân K-8 (lớp November) đã gặp một sự cố lớn. Một ống dẫn hơi nước cho máy phát điện đã bị vỡ khiến lượng nước làm mát cho lò phản ứng bị mất một lượng lớn. Thủy thủ đoàn đã cố gắng bơm nước vào lò phản ứng để ngăn chặn sự tan chảy của lõi lò phản ứng.
Tuy nhiên, một lượng lớn phóng xạ đã rò rỉ ra bên ngoài khiến 52 thủy thủ đoàn thiệt mạng. Đến năm 1970 trong khi đang tham gia tập trận, tàu ngầm K-8 cũng gặp một sự cố khác khiến nó chìm xuống vịnh Biscay ở độ sâu 4.680 mét mang theo 4 ngư lôi hạt nhân trên tàu.
Bên cạnh đó, độ ồn khi hoạt động của tàu ngầm lớp November tương đối cao so với tàu ngầm hạt nhân của Mỹ. Mặc dù còn nhiều hạn chế về độ tin cậy thấp nhưng tàu ngầm hạt nhân lớp November đã mở ra một kỷ nguyên mới cho sự phát triển của các tàu ngầm năng lượng hạt nhân của Liên Xô.
