11 июля 1962 г. субмарина покинула базу и 15 июля всплыла в полынье на 84-м градусе северной широты. Советские подводники вышли на лед и установили Государственный флаг СССР. 17 июля 1962 г. атомоход достиг Северного полюса, но всплыть из-за сплошного ледового покрова, толщина которого достигла 12 м, подводникам не удалось.
21 июля 1962 г. К-3 возвратилась в Йоканьгу. Корабль встречали члены правительства во главе с Председателем Совета Министров СССР Н.С. Хрущевым. Прямо на пирсе всем членам экипажа и научной группы, участвовавшим в походе, вручили правительственные награды. В соответствии с Указом Президиума Верховного Совета СССР от 20 июля 1962 г. руководителю похода контр-адмиралу А.И. Петелину, командиру корабля капитану 2 ранга Л.М. Жильцову и командиру электромеханической боевой части инженер-капитану 2 ранга Р.А. Тимофееву было присвоено звание Герой Советского Союза, а весь остальной личный состав корабля наградили различными орденами и медалями.
Несколько позднее в честь ПЛ «Ленинский комсомол» назвали одну из вершин подводного хребта Гаккеля в Северном Ледовитом океане.
В следующем году советские подводники все же выполнили всплытие на Северном полюсе. Возглавил поход командующий КСФ адмирал В.А. Касатонов, командир корабля — капитан 2 ранга Ю.А. Сысоев. Для плавания под паковым арктическим льдом активно использовались эхоледомеры, подводные телевизоры, современный навигационный комплекс.
Пройдя в подводном положении без всплытия более 1000 миль, атомоход достиг полюса. При помощи эхоледомера была обнаружена полынья, в ней-то субмарина и всплыла. Командир корабля и командующий флотом первыми вышли на лед на Северном полюсе. А затем впервые в истории отечественного ВМФ на широте 90° были установлены Государственный и Военно-морской флаги СССР, а также заложен пенал с запиской: «Очередное посещение Северного полюса подводной лодкой Союза Советских Социалистических Республик 29 сентября 1963 г.».
Участники похода также не остались без наград: адмирал В.А. Касатонов и капитан 2 ранга Ю.А. Сысоев были удостоены звания Герой Советского Союза, остальные члены экипажа награждены орденами и медалями, а атомоход первым в мирное время получил орден Красного Знамени.
К началу 1958 г. в СССР уже был накоплен достаточный опыт проектирования и строительства первых атомных подводных лодок, позволивший приступить к разработке более совершенных субмарин, оснащенных не только торпедным, но и ракетным оружием и не уступающих по своим тактико-техническим элементам атомным ПЛ ВМС США.
28 августа 1958 г. было принято постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР о создании новой скоростной ПЛ, энергетических установок новых типов и развитии научно-исследовательских, опытно-конструкторских и проектных работ для подводных лодок. Так началось проектирование опытной атомной ПЛ проекта 661 «Анчар», способной развивать скорость подводного хода более 30 узлов и погружаться на глубину, в полтора раза большую достигнутого на то время показателя. В рамках этой же программы приступили к разработке комплекса малогабаритного ракетного оружия.
Головными организациями по проектированию, постройке и отработке подводной лодки второго поколения, вооруженной крылатыми ракетами с подводным стартом, были определены ЦКБ-16 (переименованное позже в ЦКБ «Волна» и вошедшее затем в состав СПМБМ «Малахит») и судостроительный завод №402 Государственного комитета Совета Министров СССР по судостроению (ныне Северное машиностроительное предприятие). Главным конструктором по проекту назначили Николая Исанина, главным наблюдающим от ВМФ — капитана 1 ранга Ю.Г. Ильинского, а позднее — капитана 2 ранга В.Н. Мракова.
В начале 1959 г. Совет Министров СССР издал два распоряжения относительно обеспечения проведения научно-исследовательских и опытных работ по созданию титановых и алюминиевых сплавов и освоению производства из них листов, профильного проката, отливок, поковок и штамповок для новых скоростных подлодок. Требовалось также изготовить опытные конструкции и отсеки для отработки на них технологии изготовления корабельных и машиностроительных конструкций, их сварки и сборки, полунатурные отсеки прочного корпуса для испытаний их на прочность, автоматические и полуавтоматические сварочные агрегаты, проволоку для сварочных электродов и гидрокамеры для испытания опытных конструкций.
