上世纪70年代，美国开始研究洛杉矶级之后的后续潜艇。首先是接替洛杉矶级的下一代攻击核潜艇代号为SSNX，设想包括更大功率的反应堆（6万轴马力的D1W）、新的声纳和武器系统、比HY-80更强的钢材。
由于SSNX项目需要研发许多新技术，美国海军又开始研究过渡型的攻击核潜艇，也就是重构型洛杉矶级，设想在70年代末八十年代初进行少量采购，作为洛杉矶级和SSNX之间的衔接。
1977年卡特总统上台之后开始节约国防开支，要求海军研究低成本的核潜艇。美国海军提出舰队攻击潜艇的概念，排水量减小到鲟鱼级的水平，反应堆用回鲟鱼级1.5万马力的S5W。
1981年里根总统上台之后，提出海军六百舰目标，要求攻击核潜艇数量达到100艘。这意味着海军需要加快装备核潜艇，于是海军搁置了新型攻击核潜艇的研究，采购更多洛杉矶级。SSNX项目在1982年被叫停。不过，美国海军还是存在对更加先进的攻击核潜艇的作战需求。
1972年之后，红海军开始服役667B/德尔塔I型战略核潜艇，装备12发射程超过7700千米的R-29潜射弹道导弹。这意味着战略核潜艇只需要蹲在北冰洋的近海就可以打击美国全境，而不再需要冒险前出突破GIUK线（格陵兰岛-冰岛-英国）以及声音监视系统SOSUS到北大西洋发射，这就是红海军的堡垒海域战术。这意味着美国海军需要有一款潜艇能够冲进堡垒海域猎杀红海军的战略核潜艇。另外，美国海军评估任务红海军自1979年开始装备的671RTM/维克多Ⅲ型攻击核潜艇有着卓越的静音性能，美国海军需要新的攻击核潜艇来维持优势。
在美国这边，美国海军在里根总统上台之后采取前进战略，平时将力量部署到前沿，一旦开战就进入苏联近海摧毁红海军主力，这样的国内外背景使得美国海军得以放开手脚规划下一代攻击核潜艇。
促成海狼级的另一个原因是，洛杉矶级在军中的鉴定支持者里科弗在1982年被拿下，同年上任的海军作战部长又在核潜艇上呆过不少年份。

1982年，美国海军正式开始了新一代攻击核潜艇研究，后来成为SSN-21计划。新攻击核潜艇的任务需求是凭借优秀的静音性能潜入苏联的堡垒海域，凭借高静音航速、高性能声纳系统和强大的武备持续猎杀红海军的战略核潜艇。
设计定型后，在初步设计中的ACSAS先进共性声纳阵列、流线型围壳、Y型尾舵、自动鱼雷装填系统被舍弃，对提高静音航速至关重要的泵推得以保留。贝蒂斯原子动力研究所成为核动力推进系统的主承包商，通用电船、西屋是次承包商。
1986年，美国海军决定核潜艇命名回归用海洋生物的传统，SSN-21首艇命名为海浪号。纽波特造船厂赢得细部设计合约，负责前半段艇体的设计和整合，通用电船作为次承包商负责设计后半段。1988年，美国海军选定RCA（后来成功为通用电气的一部分）作为潜艇先进作战系统BSY-2的承包商。由于通用电气给的作战系统设计和纽波特造船厂设计的船厂不匹配，导致整体计划延后。1989和1991年年，通用电船获得前两艘的建造合同。
另外，因为预计成本过高，美国海军还同时考虑接替海狼级的低成本新核潜艇项目，代号为百夫长。百夫长项目的产物就是后来的弗吉尼亚级。
苏联解体后，建造高成本的海狼级的必要性荡然无存。海湾战争中美国海军的主要任务成为对陆打击，而专注于制海、反潜的海狼级于美国海军未来的定位格格不入。1992年，国防部长要求取消建造海狼级二号舰，到世纪末才开始采购百夫长级核潜艇。但是国会认为，如果长年停产核潜艇，会让美国造船业流失建造核潜艇的技术、设备和人力，海狼级的后续艇才有了一线生机。1994年，国防部决定让通用电船建造海狼级三号艇。
由于海狼级由不同承包商设计，BSY-2作战系统的延迟，供应链问题等原因，海狼级经历了成本上涨、不断延迟的建造过程。海狼号在1989年开建，1995年才下水，1997年服役，直到2001年才开始第一次海外作战部署。二号艇康涅狄格号在2002年开始首次战备值班，两艘单价达到24亿美元。

海狼级（前两艘）艇体长107米，比洛杉矶级短两米，但是艇身直径达到12.2米，水下排水量达到9100吨。围壳结构经过强化可以突破北冰洋中较薄的冰层上浮，水平舵位于艇艏上方，不用的时候可以收回艇内。为了降低阻力和噪音，海狼级首次在围壳与艇体连接处前端增加填角结构艇艉有十字舵，加上一对向下倾斜的二面角鳍，用于增加航行稳定性和施放拖曳声纳。艇体为和洛杉矶级相同的简化水滴艇体，原计划采用HY-130钢，最后还是采用强度900MPa的HY-100，因此最大潜深相比洛杉矶级有很大提高。
海狼级的动力为一台S6W反应堆，输出功率43MW（57000马力），设计有复杂的循环回路热交换系统，自然循环率可能超过30%，在更广泛的工况下不需要冷却剂泵自然循环工作，降低了运行噪音。海狼级的水面航速18节，水下战术航速20节，最大可达35节。

海狼级降噪和提高战术航速的另一大关键是泵射推进。传统的螺旋桨推进在潜艇上有两大缺点。首先是空蚀现象，高速旋转的螺旋桨搅动水时不能均匀地施加力，导致局部水压骤降产生气泡，气泡在离开螺旋桨表面时破裂形成空蚀。大量空蚀在螺旋桨周围形成会产生噪音。其次是螺旋桨制造的水流并非全部向后方流动，意味着螺旋桨产生的推力不完全用于推进，局部向外散发的水流会在桨叶后产生不规则的涡流，既产生噪音，也会在螺旋桨后方形成低压区，产生把潜艇往后吸的力。在泵推出现之前，出现过七叶大侧斜螺旋桨、带环螺旋桨、增设涡流消除螺旋桨、同轴反转螺旋桨等方案，最终出现了泵推这种迄今最先进的解决方案。
泵推将推进器包裹在一个筒状的整流罩中，前端的水流进入整流罩，先由导管整流，经过定子减速、转子（替代螺旋桨）加压喷射出去。在导管和定子的整流和冲压下，转子在均匀的水流中工作，加速出来的水流更加稳定，显著减少了紊乱的水流产生的气泡空蚀现象。泵推使得潜艇的静音航速得到显著提高，海狼级的泵推产生的噪音是洛杉矶级的螺旋桨的百分之一。

同时为了追求静音，海狼级的艇体采用整体浇筑法覆盖了降低自身噪音和吸收敌方主动声纳波的聚氨酯消声瓦，能够吸收现代主动拖曳声纳的低频声波。海狼级的所有轮机都布置在减震浮阀上面，主机安装在双层的减震浮阀上，整个机舱段又被包裹了一层壳体。海狼级在全艇的各个位置布置了26各噪音和震动传感器。
海狼级的静音性能相比洛杉矶级有了巨大的进步，海狼级比第一批洛杉矶级安静70倍（-18.45db），比第三批洛杉矶级安静10倍（-10db）。海狼级的战术航速（自身不发出明显噪音且噪音不会干扰被动声纳）达到20节，而当时其他核潜艇的静音航速评估都不超过10节，且以25节航速航行的海狼级发出的噪声比静止的洛杉矶级还低。

海狼级最主要的声纳系统是BQQ-5D，包括艇艏的大型主动/被动球型阵列声纳，围壳前部的BQS-24高频主动声纳（用于近距离探测水雷等等目标，艇体两侧的BQG-5宽孔阵列被动声纳以及TB-16、TB-29被动拖曳阵列声纳。
艇艏的球型声纳采用发射阵列与接收阵列分离的设计，被动阵列的直径达7.3米，球型被动阵列外侧还有一圈三层的被动低频声纳阵列，
显著提高了被动声纳的灵敏度和在低频的接收能力。主动阵列为半球形，安装在球型被动阵列下方，直径相比主动、被动合一的设计变小，拓宽了主动拍发波束。

宽孔径阵列被动声纳WAA研发的目的是开发一款远程警戒舷侧被动声纳，尽可能增强对左右两侧方位的探测能力。与艇艏的被动声纳相比，舷侧阵列被动声纳等效接收基阵更大，可以降低接收频率，延长接收距离。舷侧阵列够长是通过各处接收的时间差可以直接进行快速目标动态追踪。与拖曳阵列声纳相比，虽然基阵长度不如一些细线型拖曳阵列声纳，也存在潜艇本身带来的死角和干扰，但是不限制潜艇的机动，不会因为转向和海水流动带来的信号失真和辨认方向的问题。BQG-5宽孔径阵列被动声纳可以填补艇艏声纳和拖曳阵列声纳之间的空缺，因为其孔径高于艇艏声纳，精度高于拖曳阵列声纳，三者组合起来使得海狼级有着优秀的被动探测能力。
BQG-5安装在耐压壳外舱室里面，降低潜艇本身的噪音带来的干扰，有单独的耐压结构。在艇体两侧各有三个突出的接收阵列，每个阵列长4米，由400各水声单元组成，分辨率为0.32-1.30Hz，方向精度0.4°

海狼级的其他设备包括WLY-1水下告警反制系统，由被动声学接收装置、声学诱饵发射系统、噪声干扰器、后端处理控制等。可以自动接收来自潜艇、水面舰艇、反潜机、声纳浮标、鱼雷主动声纳导引头等威胁的信号，对威胁进行识别、定位、测距和跟踪，并采取对抗措施。
海狼级的围壳中配备了Type-8J Mod和Type-18H Mod1两种潜望镜，卫星通信天线和ESM电子截收天线。

海狼级配备8具MK-69鱼雷管，直径扩大到66厘米，加上鱼雷管预装的8发，鱼雷/导弹搭载量达到五十发，包括MK-48重型线导鱼雷、鱼叉反舰导弹和战斧巡航导弹，鱼雷舱有半自动装填系统。由于主要任务需求是制海，海狼级没有装备巡航导弹垂直发射管。
以往的鱼雷发射管在发射前先将发射管打开注水，再启动高压空气阀将鱼雷弹射出去，这样容易让高压空气制造气泡和噪声。海狼级的鱼雷发射管则采用MK-21涡轮气压泵，发射时用涡轮将海水泵进发射管，将鱼雷打出去。
MK-48 Mod 5 先进战力鱼雷是海狼级的初始鱼雷武器。ADCAP于1975年提出，起初只是为了增强制导功能，更换了由新的声纳换能器阵列、波束成形控制电路和数字化信号处理器的声纳导引头，采用电扫工作模式，拓宽了探测距离和搜索角度，使得鱼雷可以尽可能直线攻击目标。1979年，中情局贯彻到苏联705型阿尔法级攻击核潜艇在巴伦支海试航，发现其水下极速超过40节。根据1956年美国国家科学院水下作战委员会的报告，反潜鱼雷的航速应当达到目标潜艇的1.5倍。为此，美国海军加速推进了ADCAP计划。
MK-48 Mod 5的最大航速达到65节，能够追击40节的目标。航速为65节是射程为20公里，航速为40节时达到50公里。MK-48战斗部重293公斤，采用活塞发动机和泵推。
MK-48 Mod 6 ADCAP MODS更换了制导与控制系统的处理器，发射后制导系统自动导引鱼雷前往发射时预设的路径点，艇上操作人员通过导线对鱼雷进行远程监控和控制，具备同时齐射多目标接战能力。
MK-48 Mod 7引入了超宽带复合脉冲声纳、宽带声纳模拟接收器、前置放大器，能够发出不同模式的声纳波形，拓宽了发射与接收的带宽，增强鱼雷在抗海洋背景杂波和干扰的能力。

海狼级的初始作战系统为BSY-2，为美国海军第一种真正的一体化潜艇作战系统，将所有声纳获取的数据交由UYS-2声学信号处理器进行处理，系统包含超过一千个摩托罗拉商规处理器和11个UYQ-70工作站。
进入21世纪后，海狼级的作战系统升级为和弗吉尼亚级一样的BGY-1，采用开放式系统架构和全分布式计算机结构，采用商用现货组件以及和宙斯盾基线7相同的UYQ-70商规显控台。BGY-1由战术控制系统和武器控制系统组成，整合分析潜艇上各种传感器的数据、提供态势感知、信息保障、跟踪目标、计算火控数据并接战。海狼级的BGY-1版本为2016年的技术插入硬件TI-12水平。

为了适应冷战结束后的多任务需求，美国海军在1994年开始修改海狼级三号艇的设计，增加特种部队支援、海底打捞和情报搜集的任务。1999年，美国还海军授予通用电船8.8亿美元的修改合同，变更依据开建的三号艇吉米卡特号的设计，成为特殊任务的作战平台。最主要的修改是在围壳后的居住区和反应堆舱中间，插入一段30米长的艇体，称为多任务平台MMP

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