Освоение на флотах подводных лодок проекта 671РТМ несколько затянулось. Причина этого заключалась в недоведенности БИУС «Омнибус»: до середины 80-х годов система была не способна в полной мере решать возложенные на нее задачи. На кораблях ранней постройки «Омнибус» приходилось доводить уже в ходе эксплуатации лодок, что существенно ограничивало их боевые возможности.

Наиболее важным усовершенствованием, внедренным на АПЛ проекта 671РТМ, стал принципиально новый тип оружия — стратегические малоразмерные дозвуковые крылатые ракеты «Гранат» с максимальной дальностью стрельбы 3000 км. Оснащение АПЛ крылатыми ракетами превратило их в полной мере в многоцелевые корабли, способные решать широкий круг задач как в обычной, так и в ядерной войнах. По своим массогабаритным характеристикам КР «Гранат» фактически не отличались от стандартных торпед. Это позволило применять их из штатных 533-мм торпедных аппаратов.

Пять последних лодок ленинградской постройки были введены в строй по проекту 671РТМК (с комплексом вооружения, дополненным КР). В дальнейшем крылатыми ракетами были дооснащены и остальные корабли проекта 671РТМ.

Уже после вступления в строй часть лодок получила «имена собственные». С 1996 г. К-414 носит название «Даниил Московский», а К-448 (последняя лодка пр. 671РТМ, введенная в строй уже после распада Советского Союза) с 10 апреля 1995 г. именуется «Тамбов». К-138 получила название «Обнинск».

Пожалуй, одними из самых ярких фрагментов в биографии кораблей проекта 671РТМ стало участие в крупномасштабных операциях «Апорт» и «Атрина», проведенных в Атлантике силами 33-й дивизии и в значительной мере поколебавшими уверенность «потенциального противника» — США — в возможности своего военно-морского флота решать противолодочные задачи.

29 мая 1985 г. из Западной Лицы одновременно вышли три лодки проекта 671РТМ (К-299, К-324 и К-502), а также К-488 (пр.671РТ). Чуть позже к ним присоединилась и К-147 (пр.671). Разумеется, выход в океан целого соединения атомных подводных лодок не мог остаться незамеченным для американской военно-морской разведки. Начались интенсивные поиски, которые, однако, не принесли ожидаемых результатов. В то же время советские атомоходы, действуя скрытно, сами вели напряженную работу по слежению за американскими ракетными подводными лодками в районах их боевого патрулирования (в частности, К-324 имела три гидроакустических контакта с американской АПЛ, общая продолжительность которых составила 28 часов), а также изучали тактику действия противолодочной авиации ВМС США. Американцы сумели установить контакт лишь с К-488 (которая уже возвращалась на базу). Операция «Апорт» завершилась 1 июля.

В марте-июне 1987 г. была проведена близкая по размаху операция «Атрина», в которой приняли участие пять лодок проекта 671РТМ — К-244 (командир капитан 2 ранга В. Аликов), К-255 (командир капитан 2 ранга Б.Ю. Муратов), К-298 (командир капитан 2 ранга Попков), К-299 (командир капитан 2 ранга Н.И. Клюев) и К-524 (командир капитан 2 ранга А.Ф. Смелков), действия которых обеспечивались самолетами морской авиации, а также двумя разведывательными кораблями типа «Колгуев», оснащенными ГАС с протяженными гидроакустическими антеннами. Хотя о выходе атомоходов из Западной Лицы американцам было известно, они потеряли их в Северной Атлантике. Вновь началась драматическая «подводная охота», в которой приняли участие практически все противолодочные силы Атлантического флота США — самолеты палубного и берегового базирования, шесть противолодочных АПЛ (в дополнение к лодкам, уже развернутым ВМС США в Атлантике), три мощные корабельные поисковые группы, а также три новейших корабля гидроакустического наблюдения типа «Столуорт», использующие для формирования гидроакустических импульсов мощные подводные взрывы. К поисковой операции присоединились и корабли английского флота. По рассказам командиров советских лодок, концентрация противолодочных сил была такова, что казалось почти невозможно подвсплыть для сеанса радиосвязи и подкачки, воздуха. Тем не менее, АПЛ сумели незамеченными выйти в район Саргассова моря, где советская «завеса» была, наконец, обнаружена.

Первые контакты с подводными лодками американцам удалось установить лишь через восемь суток после начала операции «Атрина». При этом АПЛ проекта 671РТМ были ошибочно приняты за РПКСН, что еще больше усилило обеспокоенность американского военно-морского командования и политического руководства США (следует напомнить, что описываемые события пришлись на очередной пик «холодной войны», которая в любой момент могла трансформироваться в «горячую»). При возвращении на базу для отрыва от американских противолодочных средств командирам АПЛ было разрешено использовать секретные приборы гидроакустического противодействия.

Успешное проведение операций «Апорт» и «Атрина» подтвердило предположение, что ВМС США при массированном использовании СССР современных атомных подводных лодок не смогут организовать им сколько-нибудь эффективного противодействия.

Сложнейшее подледное плавание в конце 1985 года совершила К-524 (командир — капитан 1 ранга В.В. Протопопов, старший на борту — командир 33-й дивизии капитан 1 ранга А.И. Шевченко). Замысел похода состоял в том, чтобы пройти из Северного Ледовитого в Атлантический океан, обойдя Гренландию с северо-востока. За этот поход командир АПЛ был удостоен звания Герой Советского Союза.

Войдя в море Линкольна, лодка прошла через узкие и мелководные проливы Робсон и Кеннеди, отделяющие Гренландию от земли Гранта и земли Гриннела, миновала бассейн Кейна и через пролив Смита вышла в Баффинов залив и далее — в северную Атлантику.

Маршрут был чрезвычайно сложным и опасным. Он изобиловал мелями и айсбергами, обильно подбрасываемыми ледниками Гренландии, В море Баффина из-за айсбергов безопасных глубин вообще не существовало. В этих условиях единственным надежным информационным средством являлась гидроакустика.           

Уже в Атлантике К-524 встретилась с американским авианосцем «Америка» и скрытно его «атаковала» (разумеется, условно). Весь поход продолжался 80 суток, 54 из которых - подо льдами, на глубинах более 150 м. За участие в этой операции капитану 1 ранга В.В. Протопопову было присвоено звание Героя Советского Союза.