Продолжительное подледное плавание совершила лодка пр.627А К-21 (В.Н. Чернавин), прошедшая в 1962 году подо льдом 1700 миль. При этом попутно отрабатывалась тактика подледного плавания, методика ориентирования в подледном пространстве, а также всплытия в полыньях.

Все это позволило постепенно приступить к привлечению лодок 627-го проекта к несению т.н. боевой службы — слежению за морскими носителями ядерного оружия потенциального противника и поддержанию постоянной готовности к нанесению по ним, в случае получения соответствующего приказа, упреждающего удара. Несение боевой службы как особый вид деятельности кораблей ВМФ начало практиковаться с 1961 года. На первом этапе для этого использовались дизель-электрические подводные лодки и надводные корабли. В 1965 году первый выход для слежения за американскими ракетоносцами и авианосцами выполнили советские АПЛ.

Впервые удачный поиск и относительно длительное слежение за «фактическим противником» — ударным авианосцем «Саратога» — осуществила в Атлантике в 1965 году К-181 (капитан 1 ранга Б.С. Борисов). Советская АПЛ в течение четырех суток сидела «на хвосте» у американского корабля. Увеличение интенсивности боевой службы и задействование атомных подводных лодок быстро принесло свои плоды: если в 1964 году дизель-электрическими подводными лодками в ходе БС было достигнуто 16 обнаружений подводных целей, то в 1965 г., когда «на сцену» вышли атомные подводные лодки 627-го проекта, число обнаружений возросло до 42. Однако следует признать, что АПЛ первого поколения не предназначались для охоты за субмаринами противника: была велика их шумность, гидроакустическое оборудование имело относительно низкие характеристики. Поэтому контакты с американскими атомными подводными лодками имели, как правило, кратковременный характер и длительного слежения за ними установить не удавалось. В то же время следует заметить, что и американский флот, располагая к середине 1960-х годов специализированными малошумными противолодочными АПЛ типа «Трешер», также не смог обеспечить регулярное слежение за советскими ракетными атомоходами 1-го поколения, обладавшими относительно высокой шумностью.

АПЛ 627-го проекта совершили ряд дальних походов, вписав яркие страницы в историю отечественного и мирового подводного мореплавания. Эти походы имели, помимо прочего, и огромное морально-политическое значение: советский флот впервые доказал на деле, что может противостоять на равных флотам США и Великобритании. В сентябре 1963 г. АПЛ К-115 (командир капитан 2 ранга Р. Дубяга, старший похода - капитан 1 ранга В. Кичев) совместно с К-178 (проект 658М, командир капитан 2 ранга Михайловский) совершила подо льдами Северного Ледовитого океана переход на Тихоокеанский флот, пройдя за шесть суток 1600 миль. Командиру АПЛ было присвоено звание Герой Советского Союза.

В том же 1963 г. К-181 (капитан 2 ранга Ю.А. Сысоев, старший похода командующий СФ адмирал В.А. Касатонов) выполнила очередной высокоширотный поход, всплыв 29 сентября на Северном полюсе. Командиру АПЛ и старшему на походе присвоили звание Герой Советского Союза. АПЛ была награждена Орденом Красного Знамени.

Для проверки возможности использования атомоходов в южных широтах АПЛ К-133 в 1963 г. совершила поход в экваториальные районы Атлантики.

Этот опыт пригодился в 1966 году, когда К-133 (командир капитан 2 ранга Л.Н. Столяров) из состава 3-й дивизии подводных лодок Северного Флота совместно с ракетоносцем К-116 (командир капитан 2 ранга В. Виноградов) совершила «кругосветный» переход на ТОФ через Атлантический и Тихий океаны, пройдя в подводном положении за 54 суток почти 20000 миль. Руководителю перехода контр-адмиралу А. Сорокину, командирам АПЛ, командирам электромеханических БЧ капитанам 2 ранга Самсонову и Морозову, а также зам. командира по ПЧ капитану 2 ранга Усенко присвоили звание Герой Советского Союза. Подготовка к выполнению столь сложного задания была проведена в рекордно короткие сроки: в течение месяца моряками были отработаны три курсовые задачи.

В 1966 году К-14 (командир - капитан 1 ранга Д.Н. Голубев) совершила 17-суточный переход подо льдами Арктики, проложив трассу, по которой в дальнейшем осуществлялась перегонка атомоходов европейской постройки на Тихоокеанский флот. Несколько позже движение в обратном направлении освоили и «комсомольские» лодки новых проектов. Старшему на переходе командиру дивизии контр-адмиралу Игнатову и командиру АПЛ было присвоено звание Герой Советского Союза.

В1968 году очередной подледный переход на ТОФ выполнила и К-42 (капитан 2 ранга В.И. Заморев), прошедшая под арктическими льдами совместно с К-55 (пр.658М). Этот поход отличался от предшествующих тем, что лодки несли на борту штатное ядерное оружие.

В то же время служба АПЛ проекта 627А сопровождалась не только успехами, но и трагедиями. Это было, к сожалению, неизбежной платой за освоение нового (трагедий с человеческими жертвами не избежали также ни американские, ни китайские подводники-атомники). 12 апреля 1970 г. во время крупномасштабных учений «Океан» затонула К-8 (командир капитан 2 ранга В. Бессонов). Корабль специально не готовился к участию в этих учениях, он завершил боевую службу в Средиземном море. Пополнив запасы продовольствия и средств регенерации с надводного корабля, К-8, согласно первоначальному плану, в подводном положении прошла Гибралтарский пролив и вышла в Атлантику, где и получила 7 апреля приказ следовать в заданный район для участия в учениях. В дальнейшем корабль на связь не выходил.

АПЛ проекта 627А