1941年12月7日早晨7點55分，從日軍6艘航空母艦上起飛的日軍轟炸機開始對美國夏威夷的珍珠港海軍基地進行了突然轟炸襲擊，從此拉開了持續將近4年的太平洋戰爭的序幕。當日軍轟炸機的炸彈落在珍珠港的時候，美國海軍作戰部長對美國海軍作戰部隊發出了一項作戰命令—對日本實施全面的空中作戰和潛艇戰。這項命令的含義是，從此之後美國海軍潛艇可以對日本實施無限制的潛艇戰—任何懸掛日本國旗的船隻，無論是軍艦還是商船，都將被列為美國海軍潛艇的攻擊目標。
此時，美國海軍擁有在役潛艇111艘，另外有73艘潛艇正處於建造階段。美國海軍幾乎把所有的潛艇都投入了對日戰爭，美國海軍潛艇的主要任務是襲擊日本的運輸船隻，破壞日本的海上交通線，攻擊日軍艦艇，削弱日軍艦隊的作戰能力，布放水雷，進行偵察，輸送特種部隊，營救飛行員等。
鑑於美軍潛艇所要執行的這些任務，戰爭期間美國潛艇的主要技術發展方向是加強潛艇的水面機動性能，增加潛艇的下潛深度，加大潛艇的續航力以及儘可能地在潛艇上裝備最新的通信設備、聲吶和雷達等。
這一時期，美國為了適應戰爭的需要，加緊大批量地建造潛艇。以「小鯊魚」級為代表的艦隊型潛艇在第二次世界大戰期間總共建造了217艘。「小鯊魚」級潛艇的突出優點是裝載魚雷數量多，艇上居住性良好，全艇裝有通風換氣裝置和艇內空氣溫度調節裝置。這些具有現代化的條件保證了該級潛艇的艇員們能夠在海上長期舒適地生活，從而使「小鯊魚」級潛艇具有了可以長期在海上從事持續作戰的能力。
1942年的上半年，美國海軍研製出潛艇用的水面搜索雷達並且把雷達陸續裝備在各個海域從事作戰活動的美軍潛艇上。由於裝備了水面搜索雷達，美軍潛艇即使在夜間或濃霧的天氣條件下仍可探測到日軍的水面艦艇和在水面上航行的潛艇，所以美軍潛艇可以比日軍艦艇搶先一步採取進攻或規避戰術，從而使美軍潛艇在戰爭期間獲得了很大的主動權。
接著，美國海軍又研製成功防空雷達並進一步把防空雷達與預警系統在潛艇上結合使用。美軍潛艇利用防空雷達和預警系統可以大膽地在水面上進行高速航行。一旦發現日軍飛機，即可在日軍飛機飛臨潛艇上空之前潛入水下以逃避其對潛艇實施的攻擊。這樣，美軍潛艇便大大地提高了由潛艇基地到作戰巡邏海區之間的航渡速度，增加了潛艇的作戰巡邏時間，同時還減少了潛艇因受日軍飛機的攻擊所帶來的損失。美軍潛艇利用艇上雷達先期發現日軍艦艇並且迅速將日軍艦艇擊沉的戰例，在第二次世界大戰期間是相當多的。在太平洋戰爭期間，美國海軍潛艇除了攻擊日軍潛艇之外，還屢次對日軍的大型軍艦實施了積極的攻擊行動，這些軍事作戰行動的結果，不僅對日本作戰艦艇給予了沉重打擊，削弱了日本帝國海軍的實力，而且對日本海軍產生了巨大的心理破壞作用。
1945年8月初，美國海軍潛艇結束了在太平洋上為時將近4年的戰鬥活動。在整個戰爭期間，美國海軍在太平洋上總共擊沉日本運輸船隻1150艘，總噸位為486萬噸，占日本全部運輸船隻損失總量的57％。此外，美軍潛艇還擊沉日軍作戰艦艇214艘，總噸位約為58萬噸。被擊沉的日軍艦艇之中，航空母艦13艘，戰列艦1艘，巡洋艦13艘，驅逐艦38艘，潛艇22艘。
美國海軍潛艇在第二次世界大戰期間損失52艘，潛艇官兵犧牲3505名。52艘損失的潛艇之中有48艘為戰鬥中的直接損失，牠們之中的大部分是被日軍水面艦艇擊沉的。