В процессе испытаний установки в береговых условиях производились замеры интенсивности радиоактивного излучения реактора с целью определения конструкции экранирующего устройства, обеспечивающего наиболее эффективную защиту личного состава. Была полностью исследована работа реактора при резких и частых изменениях нагрузки, изучены вопросы очистки воды первичного и вторичного контуров и обслуживания их в процессе эксплуатации.
На опытной установке производилось обучение обслуживающего персонала, который должен был войти в состав команды будущей подводной лодки. В начале 1956 года реактор был остановлен на осмотр после того, как он непрерывно проработал с новой конструкцией активной зоны при полной нагрузке в течение 1600 часов. Такое испытание проводилось с целью проверки надежности новой конструкции активной зоны, которую предполагалось установить вместо старой. После осмотра реактор был снова пущен в работу. В настоящее время эта установка используется для проведения различного рода испытаний и обучения личного состава атомных лодок ВМФ США.
В результате испытаний, проведенных на прототипе «Марк-I», для подводной лодки «Наутилус» была создана энергетическая установка, получившая условное название «Марк-II» («S2W»). Сама лодка была заложена в г. Гротоне (штат Коннектикут) на судостроительной верфи «Электрик Боут» фирмы «Дженерал динамикс», а в январе 1954 года — спущена на воду. К моменту спуска готовность корабля была равна 60 процентам; на нем установили все механизмы, за исключением самого главного — реактора, который смонтировали позже — в течение февраля–марта 1954 года.
После окончания строительства, в конце сентября 1954 года, подводная лодка была передана командованию военно-морских сил для проведения всесторонних испытаний. Однако эти испытания затянулись вследствие разрыва вспомогательного сварного трубопровода вторичного парового контура. Лишь после того, как вся система паропроводов была снята и заменена бесшовными трубами, лодка вышла на ходовые испытания.
Первый этап испытаний происходил с 17 по 21 января 1955 года вблизи восточного побережья США, в районе острова Лонг-Айленд. За это время лодка прошла около 1000 миль, произвела 50 погружений, ее ядерный реактор проработал 148 часов. После докования лодки, в феврале, начался второй этап испытаний, в программу которого входили погружения на большую глубину, движение под водой на максимальных скоростях и торпедные стрельбы. Всего за время испытаний лодка прошла свыше 3000 миль, произвела 69 погружений, пробыв под водой в общей сложности 92 часа. Ее ядерный реактор проработал около 320 часов. По окончании испытаний подводная лодка «Наутилус» вошла в состав Атлантического флота США. В мае 1957 года «Наутилус» был передан на два месяца в состав американского Тихоокеанского флота для ознакомления его личного состава с особенностями использования атомных лодок.
За два года плавания, с 17 января 1955 по 5 февраля 1957 года, подводная лодка «Наутилус» находилась в море 5400 часов и прошла 60 120 миль, из которых 34 500 миль — в подводном положении. За это время она произвела 859 погружений.
В одном из походов «Наутилус» находился в море 206 часов, в том числе 84 часа под водой. В конце 1955 года лодка совершила переход в подводном положении из Гротона в Сан-Хуан (остров Пуэрто-Рико). Расстояние в 1300 миль она прошла со средней скоростью 16 узлов.
В марте 1957 года атомный реактор «Наутилуса» был остановлен. В нем заменили активную зону, в которую конструкторы внесли ряд усовершенствований, направленных на существенное увеличение срока службы тепловыделяющих элементов. Новая активная зона оказалась выполнена значительно проще, дешевле и надежнее. Она была предварительно проверена в установке «Марк-I» Аргоннской лабораторией во время 1600-часовых испытаний.
Атомная подводная лодка «Наутилус» летом 1958 года совершила подледное плавание в арктическом районе. Во время похода собирались данные для предсказания погоды и расчетов толщины и плотности шапки полярного льда. Лодка шла на глубине 60–75 метров, прошла подо льдом около 1000 миль и приблизилась к Северному полюсу на расстояние 180 миль.
Энергетическая установка «Наутилуса» может развивать суммарную мощность около 15 000–20 000 лошадиных сил, обеспечивая максимальную скорость подводного хода около 19–21 узла. Атомный реактор, установленный на лодке, работает на медленных нейтронах и охлаждается водой под давлением. Ядерное горючее — уран 238, обогащенный ураном 235. Расход горючего составляет около 450 граммов в месяц. Дальность плавания на эксплуатационных скоростях хода в 14–16 узлов — около 50 000 миль. На случай выхода из строя атомной силовой установки на лодке установлено два вспомогательных дизель-генератора, аккумуляторная батарея и два гребных электромотора сравнительно небольшой мощности. Экипаж «Наутилуса» состоит из 101 человека, в том числе 12 офицеров.