המעטפת החיצונית, או בשמה "המבנה הקל", בנוי בצורת סיגר. צורה זו מאפשר חיכוך הידרודינמי מינימלי בעת הצלילה. תפקידה המרכזי היא נשיאת ציוד רב אשר יכול לגרום ללחצים מיותרים על הצוללת אם יחובר לגוף הלחץ. תפקיד מרכזי נוסף הוא הגנת הצוללת, כלומר גם אם הצוללת תפגע במעטפת החיצונית שלה, לא יפגע כושר הפעולה שלה כל עוד המעטפת הפנימית שלה תקינה. על המעטפת החיצונית יש ציפוי גומי מיוחד אשר שומר על גלי הקול שבתוך הצוללת ובולע גלים שמשוגרים לכיוון הצוללת, ובכך מקטין את הסיכוי שלה להיחשף בידי צוללת אויב.
המעטפת הפנימית, או בשמה "גוף הלחץ", מאוחסנת בתוך המעטפת החיצונית. גוף הלחץ בנוי מפלדה או מטיטניום ואחראי על התנגדות ללחצים התת-מימיים ושמירת לחץ אטמוספירי נורמלי בתוך הצוללת. מתחת לפני המים הלחץ על הצוללת גדל בכאטמוספירה אחת על כל ירידה של 10 מטרים בעומק.
לצוללת מבנה מיוחד מעל הסיפון העליון במבנה הקל שלה. בצוללות המלחמה הראשונות שימש המבנה כתא בקרה הקרוי "ביתן". בצוללות המודרניות מותקנים בתוך המבנה תרנים מתרוממים שמשמשים להפעלת רדיו, מכ"ם, פריסקופים ולוחמה אלקטרונית.
ציפה.
יכולת הציפה של הצוללת מבוססת על חוק ארכימדס. על פי חוק זה, על גוף שנמצא בתווך כלשהו (נוזל או גז) פועל כוח ציפה (כלפי מעלה) השווה למשקלו של תווך בעל נפח זהה. כוח הציפה של נוזל מסוים תלוי במספר גורמים כגון: תאוצת הנפילה החופשית, צפיפות הנוזל, ונפח הגוף הצף.
צוללת בצלילה תהיה בעלת ציפה נייטרלית. כלומר, משקל המים שהיא דוחה יהיה שווה למשקלה היא, ולכן יתאפס משקלה במים. לצורך ביצוע הצלילה מותקנים בצוללת מכלים מיוחדים, הנקראים מכלי כובד, אשר אותם ממלאים במים, כאשר רוצים לצלול, ואוויר דחוס, הדוחק את המים החוצה, כאשר רוצים לצוף. על מנת שמשקלה אכן יתאפס במים ברמת דיוק גבוהה, ישנם בנוסף גם מספר מכלים לא גדולים בתוך הצוללת, הנקראים מכלי פיצוי, ועל ידי הוספת מים לתוכם או גריעת מים מהם מביאים את הצוללת למצב של ציפה נייטרלית.
כאשר הצוללת בצלילה, יש להקפיד גם על איזון אופקי, כלומר שהחרטום והירכתיים יהיו באותו עומק מים מכיוון שאם לא כן, תנועת הצוללת קדימה תגרום לכך שהיא תשנה בצורה לא רצונית את עומק הצלילה שלה. לצורך שמירה על האיזון מותקנים בחרטום ובירכתיים מכלים שנקראים מכלי איזון, והעברת מים מהחרטום לירכתיים או להפך מאפשרים לצוות לשמור על איזון אופקי של הצוללת.
הדרך לשלוט בעומק הצלילה בה רוצים שהצוללת תשהה נעשית בעזרת כנפיים קטנות שנקראות הגאי עומק. בדומה למטוס, מותקנים בגוף כנפיים המאפשרים לה לשלוט על שינויי עומק הצלילה מבלי לשנות את משקלה. הגאי עומק אלה הם בנוסף להגה כיוון שבעזרתו שולטים בכיוון ההפלגה של הצוללת.
הנעה.
בתחילת הדרך, התבצעה ההנעה של הצוללת באמצעות הצוות היושב בתוכה, כלומר ההנעה של הצוללות הראשונות הייתה חתירה כמו בסירה רק מתחת לפני המים, או יותר מאוחר (לאחר שנכנס שימוש במדחף) החיילים שישבו בפנים סובבו את המדחף.
במאה ה-19 התחילו המהנדסים ליישם שיטות הנעה מכניות המבוססות על מנוע קיטור או מנוע שרפה פנימית. הצוללת הראשונה שהייתה מונעת במנוע היא ה"איסטניו 2" של המהנדס נרציס מונטריאול. בשנת 1867 הוא התקין עליה את מנוע הקיטור והפך אותה לצוללת מכנית. השיטה של מנוע קיטור לא הייתה יעילה מכיוון שהמנוע היה שורף גם את החמצן שנמצא בתוך תא הצוות. לאחר שהבין את הבעייתיות של מנוע זה המציא נרציס את מנוע האוויר אשר היה מפיק גם אוויר לתא הצוות וגם קיטור על מנת להניע את המדחף. לקראת סוף המאה ה-19, החלו הצוללות להשתמש במנוע דיזל שהניע גנרטור אשר סיפק חשמל למנוע חשמלי.
בשנת 1928 המציאו המהנדסים האמריקאים שיטה חדשה להנעת הצוללת. הם השתמשו בשני מקורות אנרגיה שונים בצוללת אחת. כאשר הצוללת צפה מעל פני המים היא הייתה משתמשת במנועי דיזל אשר היו מחוברים גם למצברים חשמליים וגם למנוע וכך הייתה הצוללת גם אוגרת חשמל במצברים וגם נעה, ואילו בזמן הצלילה הייתה משתמשת רק במצברים.
בשנת 1944 החל הצי הגרמני להשתמש במערכת (snorkel) לצוללות, אשר פותחה בהולנד לפני כיבושה על ידי גרמניה. המערכת איפשרה לספק אוויר למנועי הדיזל וכך להפעילם גם כשהצוללת בצלילה בעומק פריסקופי, עומק שבו ראש תורן השינור בולט מעל פני המים.
בשנת 1950 כאשר טכנולוגיות הגרעין התקדמו, הוחלט ליישם הנעה גרעינית גם בצוללות. המעבר להנעה בעזרת כור גרעיני איפשר לצוללת לבצע משימות ארוכות ולהפליג למרחקים גדולים מאוד. מגבלות הצוללת לשהות ארוכה מתחת למים עברו למישורים אחרים, אספקת המזון וטיהור האוויר.
צוות הצוללת צורך חמצן ומייצר דו-תחמוצת פחמן. לשני הגזים הללו ישנן מגבלות של ריכוז באוויר על מנת לאפשר תפקוד אופטימלי של הצוות. לחמצן אסור לרדת מתחת לריכוז מסוים ולדו-תחמוצת הפחמן אסור לעלות מעל לריכוז מסוים. ישנם אמצעים לטפל בשתי המגבלות הללו, אבל לא עד לשהייה אינסופית בחלל הסגור.
אף על פי שהנעה גרעינית היוותה מנוף לשיפור גדול מאוד בביצועיה, הצוללת עדיין נושאת עליה גם מנוע דיזל ומצברים למקרה של תקלה בכור הגרעיני. התנאי היחיד למבנה צוללת על מנת שתוכל להיות מונעת באמצעות כור גרעיני הוא גודל מינימלי שיאפשר לשאת את הכור הגדול המוקף בדפנות עבות במיוחד של עופרת.
כיום משתמשות צרפת, אנגליה וארצות הברית בצוללות עם הנעה גרעינית בלבד, מפני שבהן הצוללות משתתפות במשימות במרחקים גדולים. מדינות נוספות אשר משתמשות בצוללות גרעיניות הן רוסיה, סין, הודו, וישנן מדינות נוספות המפתחות צוללות כדוגמת ארגנטינה וברזיל. לרוב המדינות אין יכולת פיתוח צוללות עקב היעדר טכנולוגיה.
בתחילת המאה ה-21 החלו להיכנס לשימוש צוללות עם מערכת הנעה Air Independent Propulsion (ר"ת: AIP), שהן מערכות הנעה לצוללות ללא תלות באוויר חיצון. מערכות אלו מבוססות על טכנולוגיית תאי דלק, המאפשרת למנוע המשולב דיזל-חשמל להשתמש בחמצן ללא צורך בצריכתו ממקור שמחוץ למים.
חיישנים.
בצוללות מותקנים חיישנים מיוחדים לצורך גילוי מיקומי גופים זרים כגון: צוללות אויב, ספינות, ופני הקרקע התת-ימית, הנקראים סונאר.
קיימים שני סוגים של סונארים: סונאר פאסיבי וסונאר אקטיבי. לשני הסונארים אופן פעולה שונה. הסונאר האקטיבי שולח גלי קול באורך גל קצר יחסית וכאשר גל זה חוזר חזרה מהעצם הוא נקלט בהידרופון (מיקרופון תת-ימי). הסונאר מחשב את המרחק של העצם לפי פרק הזמן שנדרש לגלי הקול כדי לחזור, ואת מהירותו וכיוון תנועתו הוא מעריך לפי מספר אותות עוקבים המשודרים אליו. כאשר משתמשים בסונאר אקטיבי יש סיכויים גדולים מאוד להתגלות לאויב כי בדיוק באותו אופן צוללת אויב גם כן יכולה לקלוט ולהפיק מידע מן הגלים שנשלחים.
לעומת סונאר אקטיבי אשר שולח גלי קול, סונאר פאסיבי פועל בדרך שונה ולא שולח כלל גלים. סונאר פאסיבי הוא מחליש, ומסנן חלק מגלי קול הנעים במים וכך ניתן להאזין למנוע של כלי שיט ולכיוון תנועתו. השימוש בסונאר פאסיבי הוא פחות מדויק מסונאר אקטיבי, אך יתרונו הגדול הוא בכך שאם הצוללת נעה בשקט או המנועים דוממים לא ניתן יהיה לגלות אותה גם ממרחק קצר יחסית.
בנוסף לסונארים על כל צוללת מותקנים גם מכ"מים אשר עוזרים לגלות ספינות אויב. השימוש במכ"מים הוא גם כן פחות בטוח מכיוון שבדומה לסונאר האקטיבי הוא פועל על עיקרון של שידור גלים הניתנים לאיכון. לצד המכ"מים מותקנים גם גלאי מכ"ם פסיביים ESM, היודעים לקלוט ולזהות במדויק את מערכות מכ"ם האויב לפי החתימה הייחודית של הגלים המשודרים (ומכאן גם לזהות את הכלי הנושא את המכ"ם, למשל ספינה או כלי טיס מסוימים).
ניווט.
לצוללת ישנן כמה דרכים לניווט. הפשוטה ביותר היא באמצעות עלייה על פני המים וניווט בעזרת מפה, מכ"ם, ו-GPS.
לעומת זאת, במקרה של צוללת צבאית בפעילות מבצעית בשטחי מדינות זרות לא ניתן לצוף מעל פני המים.
כאשר הצוללת נמצאת מתחת לפני המים קיימת בעייתיות כאמור גם בשימוש לניווט בעזרת סונאר אקטיבי, אשר שולח גלי קול ולפי הגלים החוזרים ניתן לדעת את המיקום במפות התת-ימיות. לכן, הדרך הבטוחה ביותר לנווט מתחת לפני המים היא על ידי מצפני גירוסקופ. מצפני גירוסקופ הם מצפנים שמוצאים את כיוון הצפון המדויק. בעזרת ידיעת הכיוון המדויק של הצוללת ומפה תת-ימית, ניתן לנווט גם מתחת לפני המים.
תקשורת.
נקודת התורפה של צוללות היא החשש להתגלות, ולכן עליה לקיים תקשורת כשהיא מתחת לפני המים. נתוני התקשורת בין צוללות ובסיסים מושפעים מעובדה זו. מכיוון שגלי רדיו מתקשים לנוע בתוך מים מלוחים ישנן מספר שיטות לתקשורת בין צוללת לבסיס.
השיטה הראשונה, שהייתה מקובלת בזמן מלחמת העולם השנייה וגם בשנים הראשונות של המלחמה הקרה, היא תקשורת בעזרת אנטנה. הצוללות באותה התקופה נדרשו לעלות מעל פני המים על מנת להטעין את המצברים החשמלים שלהן. לכן, בזמן שהן היו מעל פני המים, היו מוציאות גם אנטנה ובעזרתה מקבלות נתונים או משימות וכן מעבירות מידע חוזר. שיטה זו הפכה לבלתי יעילה כאשר פותחו כורים גרעינים לצורכי הנעה, ולצוללת לא היה עוד צורך לעלות על פני המים. בנוסף, גבר גם הסיכון להתגלות בעת העלייה מעל המים, כתוצאה מהתפתחות טכנולוגיות המכ"ם והסונאר.