K-3号艇进入水道，松开拖船。核潜艇首次从水道的第一个浮标开始独立使用齿轮传动式涡轮主机加速航行。苏联核潜艇舰队就这样于1958年7月4日从白海德文斯克湾第一个浮标开始了自己的航程。

但其主要缔造者之一——佩列古多夫为此付出了健康的代价，它的病情逐渐加重，出海参加试验时他已经十分虚弱。据大副、后来的“苏联英雄”称号获得者、海军少将日尔措夫回忆：“弗拉季米尔·尼古拉耶维奇登上舰桥，海军总司令戈尔什科夫海军上将对他说：‘你瞧，简直是个奇迹！’那景象确实令人震撼。鲸形艇首劈开波浪，海面上波涛翻滚。但佩列古多夫却沉默不语，他的身体在发抖，所有人都看到总设计师在用最后一点力气坚持着：他还能再次出海吗？”但总设计师挺住了，所有的计划都顺利完成了。

在航行试验过程中，苏联第一艘核潜艇共出海5次，总航时450小时(25昼夜)，航程 3801海里，其中2002海里在水下，860海里以15节中速航行。共完成了29次下潜与上浮。在蒸气发生装置功率提高到60%时，该艇潜航速度达到 23.3节。更高的水平受到试验计划的限制。但计算表明，核动力装置的功率100%时潜航速度是30节。

1958年12月最后一次即第五次出海，完成了310米深潜，用2昼夜的时间在完全水下航行状态中检查了主动力装置工作的可靠性(蒸气发生装置使用60%的功率)。

到12月中期以前，所有的航行试验都结束了。此后，对全部系统与装置进行了修整。

1958年12月17日，政府委员会签署了K-3号艇列编海军的文件。这样，K-3号艇从开工建造到列编海军共用时3年2个月零23天，而全部该系列核潜艇(627A型，共12艘)在4年内全部建成列编。苏联部长会议批准了K-3号艇的接收文件。

1959年，K-3号艇完成了3次航行：分别是9昼夜、22昼夜和14昼夜。从1959年 12月至1961年5月对潜艇进行了改进和必要的修理。1961年9月和10月，K-3号艇在高纬度海区完成2次航行。1962年7月11日，根据海军总司令戈尔什科夫海军上将的命令，K-3号艇前往北极。在格陵兰岛附近(北纬79度)，K-3号艇航向正北沿零度子午线向地理北极点航行。1962年7月 17日6时55分，K-3号艇从冰下驶过北极点。此后又前行60海里，在冰间水域上浮。1962年7月21日，返回北方舰队约坎加基地，在码头上受到了苏共中央第一书记、部长会议主席Н.С.赫鲁晓夫、国防部长Р.Я.马林诺夫斯基及海军和工业部门的代表的欢迎。

祖国高度评价了工业部门和海军为建造苏联第一艘核潜艇所做的贡献以及后者在俄罗斯历史上首次完成从冰下航行至北极的壮举。第143特种设计局、第8科研所和北方机器制造企业因研制K-3而被授予列宁勋章，厂长叶戈罗夫、工业造船部部长布托马、工厂核潜艇交付小组负责人弗罗洛夫荣获“社会主义劳动英雄”称号，包括亚历山德罗夫在内的18名科学家和专家获得列宁勋章。第143特种设计局104名工作人员、北方机器制造企业410名工作人员、北方机器制造企业军事接收代表和各科研机构的许多专家、主动力装置设备研制人员和负责人都受到了奖励。

K-3号艇艇员在试验中的表现获得很高的评价：艇长奥西边科成为战后首位荣获“苏联英雄”称号的潜艇兵，大副日尔措夫和作战业务长阿库洛夫荣获列宁勋章，整个艇员队荣获勋章和奖章。完成北极航行后，核潜艇第一区舰队司令А.И.佩捷林海军少将、第二任艇长日尔措夫、作战业务长Р.А.季莫菲耶夫荣获“苏联英雄”称号，其他人荣获各种勋章和奖章。

1962年7月21日，K-3号艇返回基地的当天，《真理报》刊登了苏联最高苏维埃主席团关于奖励远航参加者的命令，但关于原因只是简单地提到“因圆满完成政府赋予的特别任务”。直到几个月后，全国人民才从《红星报》、《消息报》及《共青团真理报》上了解到这是项什么任务。这些报纸还第一次公布了K-3号艇的照片。后来该艇在北方舰队服役30年。1988年，退出海军战斗编成。服役期间，K-3 号艇共航行14115小时，128443海里。而在K-3号艇列编前，第一艘导弹核潜艇K-19号已于1958年12月17日开工。苏联核潜艇舰队时代就这样开始了。