18世纪70年代，美国人D.布什内尔建成1艘单人操纵的木壳艇“海龟”号，通过脚踏阀门向水舱注水，可使艇潜至水下6米，能在水下停留约30分钟。艇上装有两个手摇曲柄螺旋桨，使艇获得3节左右的速度和操纵艇的升降。艇内有手操压力水泵，排出水舱内的水，使艇上浮。艇外携一个能用定时引信引爆的炸药包，可在艇内操纵系放于敌舰底部。1776年9月，“海龟”号潜艇偷袭停泊在纽约港的英国军舰“鹰”号，虽未获成功，但开创了潜艇首次袭击军舰的尝试。

潜艇发展至此，一直是由人力推进的，因此限制了潜艇的发展。而此时，蒸汽机已经发明并被应用到了铁路运输和水面舰船上。蒸汽机在潜艇上的应用，推动了潜艇动力装置的发展，再加上潜艇设计者的不断努力，终于出现了以机械为动力的现代潜艇。

18世纪末到19世纪末是潜艇研制的重要时期。1801年，美国人R.富尔顿建造的“鹦鹉螺”号潜艇，艇体为铁架铜壳，艇长7米，携带两枚水雷，由4人操纵。水上采用折叠桅杆，以风帆为动力。水下采用手摇螺旋桨推进器推进。19世纪 60年代，美国南北战争中，南军建造的“亨利”号潜艇长约12米，呈雪茄形，用8人摇动螺旋桨前进，航速4节，使用水雷攻击敌方舰船。1864年2月17 日夜，“亨利”号用水雷炸沉北军战舰“豪萨托尼克”号，首创潜艇击沉军舰的战例。1880年9月，中国在天津建成第一艘潜艇，艇体形如橄榄，水下行驶，十分灵捷，可于水下暗送水雷，置于敌船之下。

早期的潜艇都是使用人力推进的，航速很慢。1863年，法国建造了“潜水员”号潜艇，使用功率58.8千瓦（80马力）的压缩空气发动机作动力，速度为2.4节，能在水下潜航3小时，下潜深度为12米。1886年，英国建造了“鹦鹉螺”号潜艇，使用蓄电池动力推进，航速6节，续航力约80海里。1897年，美国建造了“霍兰”Ⅵ号潜艇，水面使用33千瓦（45马力）的汽油机动力装置，航速7节，续航力达到1000海里；水下使用电动机为动力，航速5节，续航力50海里，这是潜艇双推进系统的开端。

早期潜艇使用的武器，主要是艇体上挂带的定时引爆炸药包或水雷。1866年，英国人R.怀特黑德制成第一枚鱼雷。1881年，T.诺德费尔特和G.加里特建造的“诺德费尔特” 号潜艇，首次装备鱼雷发射管；同年，美国建造的“霍兰”Ⅱ号潜艇安装有能在水下发射鱼雷的鱼雷发射管，这是潜艇发展史上的一项重要发展。

早在19世纪50年代，法国海军的一名工程师就提出了改装机械动力潜艇的建议，许多人也进行了这方面的尝试。

1863年，法国建成了一艘“潜水员”号潜艇。艇体模仿海豚的外形设计，长42.67米，排水量420吨。使用一部功率为59千瓦（80马力）的蒸汽机作动力，速度为2.4节，能在水下潜航3小时，下潜深度为12米。由于“潜水员”号采用了蒸汽机作动力，尺寸超过了当时所有的潜艇，成为了20世纪之前最大的一艘潜艇。虽然“潜水员”号潜艇的动力装置有了质的飞跃，但它却受当时设计水平的限制，当增加压载使其浮力等于零时，潜艇下潜就失去了控制，水下航行的稳定性很差。另外，潜艇在水下航行时需要大量的空气，而这在当时几乎是无法解决的问题。于是，“潜水员”号最终以失败而告终。

蒸汽机作为潜艇的动力失败后，潜艇设计师们不得不另辟蹊径，为潜艇寻找更好的动力装置。1886年，英国建造了一艘使用蓄电池动力推进的潜艇（也被命名为“鹦鹉螺”号）成功地进行了水下航行，航速为6节，续航力约80海里。从此，电动推进装置为潜艇的水下航行展现了广阔前景。

但对现代潜艇的发展作出过最大贡献的，当属美国潜艇设计师――约翰·霍兰。

约翰·霍兰1841年出生在爱尔兰利斯凯纳镇，父亲是英国海岸警卫队的一名雇员。父亲的职业使霍兰从小就对海洋及战舰充满了好奇。中学尚未毕业时，父亲不幸病故，年轻的霍兰被迫结束学业，到一所学校担任理科教员，以挑起家庭生活的重担。在此期间，霍兰一边工作，一边设计潜艇。1873年，霍兰辞去了教师工作，带着他的潜艇设计图纸到了美国。在美国，他一边在一个都教会学校教书，一边完善着他的潜艇设计图。

1875年，霍兰将建造新型潜艇的计划送交美国海军部。但是，美国海军对3年前支付5万美金建造的一艘名为“智慧之鲸”的小型手操潜艇的沉没仍然记忆犹新，因此断然拒绝霍兰的计划。遭到拒绝的霍兰却没有因此而却步，他很快就得到了流亡美国的由爱尔兰一些革命者组成的“芬尼亚社”的大力资助。在“芬尼亚社”的支持下，经过3年时间的努力，霍兰终于在1878年将自己的第一艘潜艇送下了水。

该潜艇被命名为“霍兰－Ⅰ”号，是一艘单人驾驶潜艇。艇长5米，装有1台汽油内燃机，能以每小时3.5海里的速度航行。但由于潜艇水下航行时内燃机所需空气的问题没有解决，故潜艇一潜入水下发动机就停止了工作。虽然这是一艘不成功的潜艇，但霍兰却在它的身上积累了经验，为下一步建造新的潜艇打下了基础。