За К-3 последовала серия из 12-ти атомных подлодок проекта 627А. Строительство АПЛ стало основной задачей завода №402. Вслед за первым поколением АПЛ предприятие приступило к освоению более совершенных кораблей с ядерной энергетической установкой. В 1967 году ВМФ был передан первый советский атомный подводный крейсер стратегического назначения проекта 667А с 16 баллистическими ракетами на борту. За пять лет в строй были введены 24 атомных ракетоносца, благодаря чему был достигнут паритет с США по морской составляющей ядерных сил. В 1972-1990 годах было построено 60 АПЛ 4-х модификаций - проектов 667Б, 667БД, 667БДР, 667БДРМ. Несколько модернизаций прошел и ракетный комплекс.
В 1969 году на «Севмаше» была построена первая в мире АПЛ с корпусом из титановых сплавов проекта 661. На испытаниях она развила максимальную для подводных кораблей скорость подводного хода в 44,7 узлов. Этот мировой рекорд не превзойден до сих пор. В середине 1970-х годов была проведена крупнейшая реконструкция предприятия. Для постройки АПЛ третьего поколения производственные мощности «Севмаша» были удвоены, возведен крупнейший в России эллинг. В 1980 году в новом цехе была построена первая АПЛ третьего поколения проекта 949, вооруженная 24 противокорабельными крылатыми ракетами. Всего по проектам 949 и 949А было построено 13 кораблей.
В 1981 году ВМФ был передан головной атомный подводный крейсер стратегического назначения проекта 941, вооруженный 20 межконтинентальными баллистическими ракетами. Этот подводный ракетоносец занесен в книгу рекордов Гиннесса, как самая большая подводная лодка в мире. По проекту 941 на предприятии было построено 6 кораблей. В 1983 году ВМФ передана опытная глубоководная титановая АПЛ проекта 685 с глубиной погружения до 1000 м - самая глубоководная боевая АПЛ в истории подводного кораблестроения. В 2001 году завершена постройка серии из 7 многоцелевых АПЛ проекта 971, в создании которых внедрены последние достижения в снижении шумности и повышении скрытности подводных лодок.
За 50 лет корабелы ПО «Севмаш» передали Военно-морскому флоту страны 128 атомных подводных лодок. Сегодня «Севмаш» - единственная верфь, осуществляющая серийное строительство атомных подлодок для ВМФ России. 12 февраля 2008 года был спущен на воду головной атомный подводный ракетоносец четвертого поколения проекта 955 «Юрий Долгорукий». В настоящее время корабль готовится выйти в море на испытания. На стапеле строятся серийные корабли «Александр Невский» и «Владимир Мономах», заложенные в 2004 и 2006 годах соответственно. Атомные подводные лодки этого проекта станут основой морских стратегических ядерных сил России в 21 веке. На «Севмаше» также ведется строительство серии современных многоцелевых АПЛ проекта 885.