Эксплуатация головной подлодки К-19 выявила ряд существенных конструктивных недостатков. В 1961 году во время проведения учений Северного флота под названием «Полярный круг» на ней произошла авария реактора левого борта. Гибель лодки удалось предотвратить, для чего прямо в океане пришлось монтировать временную систему охлаждения аварийного реактора. Восемь человек, устранявших аварию и получивших большие дозы облучения, умерли после возвращения в базу. Позднее была установлена штатная система аварийной водяной проливки реактора для удаления теплоизбытков. К-19 оказалась несчастливой. В феврале 1972 года на ней возник пожар, унесший жизни 28 подводников. Но, несмотря на все недостатки, субмарины проекта 658 находились в боевом строю до начала 90-х годов.
В 1960 году в США начались летные испытания ракеты «Поларис-А2», которые длились всего один год. Ракета предназначалась для оснащения пяти ПЛАРБ типа «Этен Аллен», являвшихся развитием лодок типа «Дж. Вашингтон». В конструкции нового ракетоносца применили высокопрочные стали, что позволило увеличить рабочую глубину погружения до 400 м. Увеличение размеров и водоизмещения лодки при сохранении энергетической установки привело к некоторому снижению скорости полного подводного хода, что в общем-то большого значения не имело. На новых ПЛАРБ число ракетных шахт осталось прежним, но число торпедных аппаратов уменьшили. Оставшихся четырех вполне хватало для обеспечения самообороны. Первый ракетоносец вышел на боевое патрулирование в 1962 году, а вся серия вступила в строй в течение двух лет.
БРПЛ «Поларис-А2» отличалась от своей предшественницы большей длиной второй ступени. РДТТ этой ступени переработали. Корпус выполнили из стеклопластика. Увеличили запас топлива. Четыре сопла сделали отклоняемыми. Точность стрельбы и мощность ядерной головной части достались от ракеты «Поларис-А1», а максимальная дальность полета увеличилась на 600 км.
К 1964 году ВМС США имели в своем составе 10 подводных атомных ракетоносцев со 160 ракетами, которые по своим тактико-техническим характеристикам значительно превосходили советские ракетные подводные лодки. Несмотря на то, что в составе советского ВМФ таких лодок насчитывалось 31, на их вооружении состояло только 93 ракеты, к тому же уступавшие «Поларисам» по дальности стрельбы и надежности.
В условиях почти полного превосходства американских ВМС над всеми другими военными флотами руководство США решило превратить атомные ракетные подводные лодки в основной компонент ядерной триады.
БРПЛ Р-21 (СССР) 1963 г.В мае 1963 года на вооружение советских ракетных лодок стала поступать баллистическая ракета Р-21 вместо Р-13. По своему техническому уровню она была значительным шагом вперед, но только по сравнению со своими советскими предшественницами. Дальность ее полета составила 1300 км при оснащении головной частью мощностью 1 Мт и 1600 км — с ГЧ мощностью 0,8 Мт. Инерциальная система управления с улучшенными характеристиками обеспечила точность стрельбы (КВО) 2,8 км. Главным достоинством ракеты было то, что ее можно было запускать с глубины 40 м.
Новой ракетой перевооружили 8 атомных и 13 дизельных лодок проекта 629. При этом последние прошли модернизацию. Так как ракета Р-21 имела большие размеры, пришлось несколько изменить обводы рубки. С ее левой стороны была установлена телескопическая мачта. Заменили и часть электронного оборудования на более совершенное. Шесть модернизированных дизельных субмарин перевели на Балтику, где они несли боевое дежурство до конца 80-х годов. Другие вошли в состав Тихоокеанского флота. В марте 1968 года одна из них (К-129) погибла, как считается, в результате столкновения с американской ПЛА, следившей за советской подлодкой. Но даже с новыми ракетами советские подводные ракетоносцы по-прежнему уступали американским по своим тактико-техническим характеристикам.
Тем временем реализация американской ракетной программы «Поларис» перешла в заключительную фазу, ознаменовавшуюся резким наращиванием боевых возможностей морского компонента ядерных сил США. Начиная с августа 1962 года, на протяжении двух лет проводились летные испытания БРПЛ третьего этапа, получившей обозначение «Поларис-АЗ». Корпуса обеих ступеней были выполнены из стеклопластика. За счет применения нового топлива на основе полиуретана, перхлората аммония и нитропластификатора удалось без изменения геометрических размеров значительно увеличить дальность стрельбы. РДТТ первой ступени имел четыре поворотных сопла. На ракетный двигатель второй ступени установили четыре неподвижных сопла и управляющие усилия создавались за счет впрыска фреона в закритическую часть сопел. Запас фреона хранился в тороидальном баке, который заполнялся в заводских условиях. Усовершенствованная инерциальная система управления обеспечивала управление полетом на активном участке траектории и точность стрельбы (КВО) 2,3 км. Ракета несла моноблочную ядерную головную часть мощностью 1 Мт. По мере поступления от промышленности этих ракет все ранее выпущенные модификации сняли с вооружения и перевели в резерв.
Кроме новой ракеты, ВМС США получили новую ПЛАРБ типа «Лафайет». К моменту завершения летных испытаний ракеты в боевом составе находилось восемь ракетоносцев этого проекта, которые были вооружены ракетами «Поларис-А2». Субмарины создавались с учетом накопленного опыта эксплуатации ПЛАРБ первого и второго этапов. Большое внимание при этом уделялось снижению собственных шумов лодки, а также способности активно бороться с противолодочными силами противника.
БРПЛ «Поларис — A3 (АЗТ)» (США) 1964 г.На субмарине установили ядерный реактор типа S5W с водяным охлаждением. Был использован гребной винт новой конструкции. Боевые возможности ПЛАРБ значительно возросли. Для самообороны на лодке применили не только многоцелевые торпеды, но и ракеты «Саброк», выстреливающиеся через торпедные аппараты. Для управления ракетной стрельбой установили боевую систему Мк88, позволявшую за 15 минут подготовить первую ракету к пуску. Сократился интервал между пусками последующих ракет. БРПЛ выстреливалась парогазовым способом. Всего построили 31 ПЛАРБ. Последние 12 несколько отличались составом и размещением оборудования (официально они значились, как ПЛАРБ типа «Б. Франклин»). Уровень их шумности снизился.
Но на этом развитие ракетной системы «Поларис» не закончилось. Дальнейшим способом расширения боевых возможностей этих ракет мог стать путь оснащения их разделяющимися головными частями рассеивающегося типа. В период с ноября 1966 по 1968 год было проведено девять испытательных пусков с целью отработки головных частей нового поколения. По их завершении началась замена ракет «Поларис-АЗ» на модификацию АЗТ. Отличались они доработанной системой управления и РГЧ МкЗ с тремя боевыми блоками рассеивающегося типа мощностью по 200 кт каждый. Боеголовки одной ракеты могли поражать цели на площади 8 км2.
В 1968 году на боевое патрулирование вышла первая ПЛАРБ Великобритании типа «Резолюшн». Правительство этого государства, строя свою ядерную политику, сделало ставку на американского партнера. После появления БРПЛ «Поларис» английское военное руководство предложило своему правительству построить флот атомных ракетоносцев, которые должны были стать основой ядерных сил страны, заменив в этой роли стратегические бомбардировщики. План оценили не только в парламенте Великобритании, но и в Пентагоне. Англичане получили помимо политической поддержки еще и американскую техническую помощь в создании ПЛАРБ.
«Резолюшн» по своим техническим характеристикам близка к «Лафайету». Головную лодку в серии заложили в июне 1964 года на верфи фирмы «Виккерс Армстронг». Ее строительство велось пять лет. Корпус лодки в носу и в корме имел форму, близкую к цилиндрической, что, по мнению разработчиков, должно было обеспечить снижение шума на малых скоростях, свойственных для боевого патрулирования. Носовые горизонтальные рули были вынесены в носовую часть корпуса лодки, в то время как у существовавших ПЛАРБ других государств они размещались на рубке. Ядерный реактор с водяным охлаждением PWR1 вырабатывал пар для двух турбин, работающих на один гребной винт. Ракетный отсек и системы управления ракетной стрельбой были полностью взяты у американцев.
Англичане оснастили свой ракетоносец самым совершенным на то время гидроакустическим и радиоэлектронным оборудованием. Для защиты от надводного и подводного противника могли использоваться противолодочные и противокорабельные торпеды. На его вооружение поступили ракеты «Поларис-АЗТ» американского производства. За головным кораблем последовали еще три однотипных. Последнюю лодку флот получил в 1969 году.