截至2021年7月，美国海军弗吉尼亚级潜艇已服役了19艘，另有11艘正在建造中，已获采购授权的总数累计已达37艘，不久之后，便会超越现役的洛杉矶级，成为美国海军乃至全世界数量最多的一级现役潜艇。
自美国海军于1991年1月启动“ 百夫长”潜艇计划，开始研究新一代核子攻击潜艇后，经过近7年时间的发展与波折，以及NSSN、NAS等不同计划名称的演变，新潜艇计划终于在1997年底获得美国政府与国会的认可，随后整个计划也迈向实际建造阶段。
弗吉尼亚级是美国海军第一种针对后冷战时代发展的潜艇
美国海军部长在1998年9月10日宣布新潜艇首舰命名为“弗吉尼亚”号，接着在3周后的9月30日，美国海军与电船-纽波特纽斯联合建造团队，正式签订头4艘弗吉尼亚级潜艇采购合约。
在最初仍称为“百夫长”计划的时期，这种规划中的新潜艇，定位是作为高性能但价格昂贵的海狼级补充力量，讲求经济性，以便大量采购，目标是将单位成本控制在海狼级的一半。
不过随着苏联瓦解、冷战告终，海狼级计划也在1992年以后接连遭到大幅裁减，最终以建造3艘止步，这也让原本作为补充性角色的低成本新潜艇计划，取海狼级而代之，一跃成为新一代的主力攻击潜艇。
新战略下的新需求——弗吉尼亚级的政策与技术变革
当后冷战时代来临后，美国海军面临了完全不同的政治与作战环境。在政治环境方面，失去苏联这个对手后，美国海军面临的压力固然大为减轻，但也不再有继续维持原有兵力规模与军备投资的正当性，无论美国政府行政当局还是国会，都不愿继续维持高昂的军费投入，海军的经费资源遭到大幅裁减，给建军规划与采购政策带来巨大冲击，日后所有的新舰艇计划，都必须将经济性列为优先目标，才可能获得政治上的支持，因而舰艇发展与采购制度也必须随之调整，更加讲求成本效益与成本控制，以适应日益严苛的预算情况。
就作战环境而言，失去苏联这个对手后，不再有任何国家可以挑战美国的全球制海权，或是威胁北约盟国，因而远洋制海权的争夺，以及北大西洋航线的维持，也不再是美国海军的核心任务。面对后冷战时代日趋动荡、复杂的第三世界国际形势，美国海军将作战重心转向沿岸作战，以便从沿岸影响陆地形势。
沿岸环境海上交通繁忙，潜艇周遭可能存在大量各式各样舰只，潜艇要透过潜望镜来观察与确认水面目标
然而面向近岸与陆地攻击的新战略，也带来了与以往远洋作战大不相同的舰艇设计需求。近海与沿岸的作战环境，无论地理、水文还是敌情威胁形态，都与远洋大异其趣；
强调陆地攻击与海上火力支持的任务形态，也对舰艇平台与武器系统提出了新要求，因而舰艇设计必须有所调整，才能适应沿岸作战的需要。
自20世纪90年代初期开始推动的NSSN/弗吉尼亚级攻击潜艇计划，自然也受到美国海军的战略转型与建军政策调整影响，从而在开发、设计政策，以及技术等方面，出现了重大变革。
面对与冷战时代完全不同的政治环境，美国海军在NSSN/弗吉尼亚级计划中，引进了全新的采购政策与开发设计程序。在采购政策方面，舍弃了原定的单一船厂建造策略，改采双船厂联合建造体制，将电船公司与纽波特纽斯船厂同时包揽到建造计划中，以扩大争取政治支持；
使用潜望镜有暴露潜艇自身之虞，因此使用潜望镜的时机有很大限制，升起潜望镜的时间必须尽可能缩短
在设计程序方面，则采用电船公司提出的新程序——整合产品与程序发展，取代美国海军传统的4阶段设计程序，以求提高设计作业的效率与弹性，并改善成本控制。
而为适应沿岸与陆地攻击作战，并兼顾降低成本的需求，美国海军也为弗吉尼亚级引进了一系列崭新技术，包括光电桅杆，基于商规计算机技术的全新声呐信号处理系统与战斗系统、新式高容量卫星通信系统，以及新的长寿命反应堆等。
而采购政策、设计程序，以及技术方面的变革，也使弗吉尼亚级成为第一种专门针对后冷战时代的新世代潜艇，拥有许多有别于先前美国潜艇的新特性，也是美国海军潜艇发展史上的一座里程碑。
弗吉尼亚级的技术变革
在最初的百夫长计划时期，由于苏联威胁尚未消失，因此新潜艇设定的核心任务依然是远洋作战，不过当改组为NSSN计划后，便开始依循美国海军新的战略重点，将沿岸作战纳入核心任务，也带来与先前攻击潜艇不同的设计需求。
从沿岸作战的角度来看，新潜艇设计最重要的需求，便是让潜艇指挥官能应对极为复杂的近岸海域环境，这种环境中，包含了大量的船只，其中还有许多小型船只，如何分辨目标、区分敌我，将成为一大问题。
对于潜艇惯常使用的声呐来说，由于声呐的波束太宽，制约了分辨能力，任何大型的潜艇声呐，无论架构多么复杂，数据处理如何完善，如何扩大数组的尺寸，都无法解决这个问题。因此，真正针对沿岸作战的潜艇，不能仅依靠声呐作为侦测来源，而须另外结合光电技术，将声呐数据与光学传感器融合运用。
20世纪90年代，光电技术已经获得有效的应用，因此尽管美国海军在NSSN/弗吉尼亚级的发展中，并未明确表示出对于光电感测技术的要求，但是从后来的设计来看，美国海军确实是走向了这个方向。
光电技术带来的潜艇作业革命
光电技术在潜艇上的应用，解放了传统光学潜望镜给潜艇操作造成的种种制约。传统潜望镜一般是由潜艇指挥官负责操作，将潜望镜举升到水面上，然后绕着水平面快速旋转，借此观察四周，在脑海中形成周遭环境的图像。由于升起潜望镜会让潜艇暴露在被侦测的风险中，因此使用时机受到很大的限制，使用时只能非常短暂地升起，以减少暴露时间。
传统光学潜望镜只能由潜艇艇长或执行官单独负责操作，只有艇长个人能通过目 镜观看影像
这也意味着，传统潜望镜的运用效果，很大程度上取决于潜艇指挥官的个人资质，依赖于潜艇指挥官吸收信息的速度与能力。因此在英国皇家海军著名的“毁灭者”潜艇指挥课程中，特别强调称为“快速潜望镜察看”的训练。
通过潜望镜快速观察周遭环境，主要目的之一是发动快速攻击。潜艇指挥官可以从潜望镜中迅速确认攻击目标，以及可能对攻击行动造成干扰的护航舰。如果周遭没有多少舰艇，那么可能就不需要使用“快速潜望镜察看”，而可完全通过被动声呐慢慢地识别目标，并绘制目标的航迹。
然而在沿岸作战环境中，“快速潜望镜察看”将遭遇严重的困难。潜艇周遭可能围绕着数十艘甚至数百艘船只，其中既有数十万吨级的巨轮，也有数十吨、数百吨的渔船，有些还可能是携带有反潜武器的军舰，在这种情形下，目标识别将非常困难，要通过潜望镜来观察与确认周遭环境，将是一个非常漫长且危险的工作。
除此之外，许多情况下，潜艇并非为了攻击，而是为了其他目的而滞留在沿岸区域，例如电子侦察，因而也需要新的观察外界手段。针对前述问题，20世纪80年代出现了一个新的解决办法——基于光电传感器
的数字摄影技术。借由引进数字摄影技术，潜艇的潜望镜携带的不是传统的光学镜头，而代之以基于光电传感器的数字摄影机，成为所谓的光电潜望镜或光电桅杆。
光电潜望镜的应用历程
英国皇家海军是潜艇光电桅杆技术的领导者，最初是从在传统光学潜望镜上导入光电传感器起步，分别在1978年与1979年引进了世界上第1种热影像潜望镜CH82，以及世界上第1种镭射测距仪潜望镜CH80， 均 由皮尔金顿光电旗下的Barr & Stroud研制。
注：英国所有潜艇的潜望镜均由Barr & Stroud公司研制，该公司在1977年并入皮尔金顿集团，1991年改称皮尔金顿光电，2000年并入Thales集团，2001年改称为Thales光电。
在20世纪80 年代稍后，皇家海军又开始在潜望镜上结合远程操纵功能，拥护者级潜艇的CK35搜索潜望镜与CH85攻击潜望镜，引进了远程操作潜望镜的功能，可以通过控制面板远程，来控制潜望镜的主要功能，例如俯仰、旋转、影像放大倍率，以及测距等，潜望镜的热影像仪与电视摄影机，可通过潜艇控制室的显示器控制与呈现，并提供给整个指挥团队，而不只是提供给指挥官。
弗吉尼亚级BVS-1光电潜望镜的控制台
注：拥护者级于2000年后转售给加拿大皇家海军，改称为维多利亚级
接下在20世纪90年代中期服役的前锋级战略潜艇上，皇家海军又引进了可以完全远程遥控的CK51搜索潜望镜与CH91攻击潜望镜。其中CH91潜望镜拥有远程控制的光电单元与独立的光学潜望镜单元，一定程度上解放了控制室的布置，即可以通过控制室内的显示控制台，来操纵潜望镜并显示影像，但也保留了传统的接目镜，设置在控制室的上层甲板上。
注：外销给澳洲柯林斯级使用的CK43与CH93潜望镜，也拥有同等的远程控制功能。
数据处理能力的增长
围绕着NSSN/弗吉尼亚级计划的一个核心问题，是如何克服“降低成本”与“维持性能”之间的矛盾，唯一的解决办法，就只有引进新技术。
海狼级通过采用40英尺直径的大型艇壳，从而容纳了巨大的声呐数组，这虽然带来了空前的性能，但是到了后冷战时代，这条通过扩大数组尺寸、提高声呐增益(gain)来改善性能的路线，在经济上恐怕已不再负担得起。
不过，美国的声讯技术社群认识到，海狼级的大型声呐数组，只是声呐发展的一个特殊路线，还存在着其他可行的选择路线。
声呐的性能，是由增益(即数组尺寸)与信号数据处理能力所共同决定。在成本的制约下，继续沿用海狼级那种庞大的数组，甚至进一步扩大数组尺寸，都已经难以为继，但另一方面，通过改进信号数据处理能力来提高声呐性能，仍有巨大的潜力可供发掘，特别是在计算机性能飞跃性增长的20世纪90年代更是如此，可借助商用计算机技术，来提高声呐信号处理能力。而且这条发展路线不仅适用于新的NSSN/弗吉尼亚级潜艇，也能应用在现役潜艇的改良上。
美国海军将这项通过商用计算机技术提升声呐处理能力的计划，称作“声讯快速COTS技术插入计划”，也就是通过现成的商规组件或设备，迅速达到提高声呐处理能力的目的。
注：COTS是commercial off theshelf的缩写，意味着货架上已有(offthe shelf )的现成商业产品，相对于专门开发与定制的军规产品。
稍后A-RCI计划被赋予了BQQ-10的型号，A-RCI定义了一系列基于商规组件的新处理器，主要目的是反映当时主流商用技术的水平，而不是追求最先进的技术。通过A-RCI的技术框架，潜艇将能更容易地更换处理器或处理器模块，并能较过去加速软件更新速度，进而能像商用产品一样，进行定期的软、硬件更新。
洛杉矶级通过Type 18潜望镜所看到的水面目标影像
虽然A-RCI属于潜艇内部系统的升级，在外观上是不可见的，但能够带来重要的价值。除了应用在新的弗吉尼亚级之外，美国海军也打算将A-RCI引进到洛杉矶级与俄亥俄级，让A-RCI成为美国潜艇的通用声呐处理架构(除了海狼级以外)。
在潜艇上引进商规现成计算机组件，从而进行定期软、硬件更新的想法，除了应用在声呐的信号与数据处理外，也被扩展到潜艇战斗系统上，成果便是CCS Mk.2战斗系统，后来更名为BYG-1。与A-RCI同样，BYG-1除了应用于弗吉尼亚级，也被用于洛杉矶级、海狼级与俄亥俄级的升级，成为美国海军的通用潜艇战斗系统。
操纵、动力与推进系统的进化
随着美国海军对于船舶控制数字化的日益强调，也让美国海军考虑让潜艇方向舵与水平舵等关键次系统的驱动与控制予以“电动化”。在NSSN/弗吉尼亚级计划中，便打算采用基于“电传操舰(swim by wire)”技术的电动驱动系统，来取代传统的电动液压控制系统，也就是在计算机的辅助下，通过光纤传输的信号来控制数字电动马达，进而驱动方向舵与水平舵控制潜艇航行。
比起传统的电动液压控制，以数字线传电动控制系统来操纵潜艇，不仅可以节省许多重量，也能解决一些潜艇控制问题(例如减少人为操作失误)，还能让潜艇操舰控制系统与战斗系统连接，大幅改善遭遇敌人攻击时的反应速度。相较于先进的“线传操舰”概念，弗吉尼亚级的动力系统，依旧采用技术上相对保守的压水式反应堆，发展重点放在通过延长堆芯寿命，来降低潜艇的寿期循环总成本。
过去的攻击潜艇必须定期更换堆芯燃料，这项规模浩大的工程，同时也是进行其他升级作业的机会，但代价是极为高昂的费用。于是美国海军一直努力设法延长潜艇反应堆的堆芯寿命，以求减少更换堆芯燃料的频率。以洛杉矶级为例，最初服役时的堆芯寿命是10～13年，这意味着在其设定的32年役期中，必须更换堆芯燃料2次。后期建造的洛杉矶级堆芯寿命提高到16～20年，因此服役生涯中更换堆芯燃料的次数，也减少到1次。
不过即使只需更换1次堆芯燃料，对于后冷战时代经费拮据的美国海军来说，仍嫌过于昂贵，许多早期建造的洛杉矶级到达堆芯寿命后，便直接予以除役，放弃了更换堆芯燃料工程。
注：有11艘洛杉矶级的役期未满20年，便提前除役，另有7艘洛杉矶级只服役20～24年便除役。于是到了海狼级，便引进了一次性的长寿命反应堆S6W，在整个操作寿期内都无需更换堆芯燃料，显著降低了操作成本，从而减轻了对于高采购成本的批评。而新的NSSN/弗吉尼亚级同样也采用了无需更换堆芯燃料、输出功率较海狼级稍低的一次性反应堆S9G。
除此之外，NSSN/弗吉尼亚级的推进器也和海狼级一样，以泵喷射推进器(pump-jet)取代传统的螺旋桨，借此大幅降低噪声。
潜艇高容量卫星通信系统
在美国海军视为后冷战时代战略重心的沿岸作战中，攻击潜艇将能在侦察与陆地攻击两种任务中扮演要角，凭借着水下隐蔽的特性，可在敌方未察觉的情况下，抵近目标海岸、隐秘地收集资料，或是发动奇袭。但要让潜艇成功遂行这两项任务，也对潜艇的通信系统带来了与前不同的新需求。
在过去，潜艇虽然也常常被用于收集情报，但大多属于非实时性应用、长期性的侦察任务，例如信号情报侦察(SIGINT)、电子情报侦察(ELINT)、通信情报侦察(COMINT)等，而非立即性的战术情报侦察。由于这些侦察任务没有时效性限制，因此潜艇也无须将收集到的情报立即发送到后方。
鲟鱼级攻击潜艇的指挥舱，可以见到站在架高平台上操作潜望镜的艇长
但是到了后冷战时代，开始要求让潜艇支持短期性、战术性的情报侦察任务，由于战术情报具有很强的时效性，很快就会过期失效，因而潜艇也必须拥有某些方法，例如高容量的数据链(data link)，以便将获得的情报，迅速、及时地传递给友军，或至少能传递给中央指挥部。而在过去，这种高速数据传输能力，并不是潜艇急需的配备。
另一方面，对于陆地攻击任务来说，潜艇若欲通过发射战斧导弹，来为友军提供战术性支持，同样也需要高容量数据链，以便及时下载敌方目标的近实时(near-real-time)标定信息，供战斧导弹的任务规划与目标标定之用。
弗吉尼亚级与洛杉矶级的控制室驾驶座，可以见到弗吉尼亚级值班 舵手是使用游戏杆来操纵潜艇
这两方面需求的出现从根本上带来了与过去潜艇不同的需求，促成了高容量潜艇卫星接收机与终端机的迅速发展。美国海军潜艇以往普遍使用的UHF通信卫星系统，并无法胜任这样的任务要求，UHF通信卫星提供的传输带宽有限，若要收发较大量的数据，不是必须耗费较长作业时间以至于让潜艇暴露在危险下就是必须通过相对安全但十分复杂的方式来收发数据。
解决办法便是导入带宽大幅提高的SHF或EHF卫星通信能力。作为海军EHF通信卫星计划的一部分，美国海军于20世纪90年代初期开始在潜艇上配备卫星通信终端，搭配安装在Type 8 Mod.3潜望镜顶部的EHF天线，具备了使用EHF卫星通信的能力，不过只能提供EHF通信卫星的低数据率传输能力，虽然有升级到中传输率的规划，但仍未完全解决问题。
机敏级是第一种完全基于光电桅杆设计的潜艇，配备了2组CM10光电桅杆，不再留传保统光学信道
彻底的解决办法，是让潜艇获得SHF/EHF卫星的高数据率传输能力。经数年发展后，美国海军终于在2001年时，成功进行了用于潜艇的高数据率(HDR)卫星通信天线相关测试，这套简称为SubHDR的系统(即Submarine High Data Rate的缩写)，采用EHF与SHF多频段运作，先天便具备高传输率与高指向性的特性，可以满足实时传输大量资料的需求，也能将潜艇为了接收数据而造成的暴露降到最小程度。
承包SubHDR维护工程服务的Serco公司技术人员正在检修SubHDR天线的情形
从NSSN计划时期起，弗吉尼亚级一开始便规划配备HDR卫星通信系统，也成为美国海军最早配备SubHDR卫星通信系统的潜艇，在围壳内配置了2组非穿透性的SubHDR通信桅杆，后来美国海军也将SubHDR系统陆续配备到其他潜艇上。到了现在，美国海军所有攻击潜艇与巡航导弹潜艇，都已配备了SubHDR卫星通信系统。