Уилкинс приобрёл у ВМС США за один доллар выведенную из состава флота подводную лодку – бывший корабль ВМС USS O-12 (SS-73).
Под руководством известного американского конструктора подводных лодок Саймона Лейка О-12 была переоборудована и модифицирована. В том числе была убрана боевая рубка; сконструировано и установлено на верхней палубе устройство «приледнения», чтобы лодка могла вплотную подходить к нижней кромке льда. Кроме того, был оборудован специальный пружинящий бушприт, который, по замыслу его авторов, должен был смягчать возможные столкновения с ледовыми образованиями; установлено устройство для бурения льда из-под воды с целью доступа свежего воздуха и выхода отработанных газов; захвачена с собой дисковая пила, способная, как считали, пропиливать лёд толщиной до 4 метров; предусмотрен герметичный отсек, из которого приборы можно было опускать в воду при нахождении подлодки подо льдом. Кроме того, лодка имела океанографическую станцию и лебёдку.
В состав экипажа была включена группа водолазов, которые могли выходить из подводной лодки в подводном положении для исследования окружающей среды.
Уилкинс твёрдо знал, что среди полярных льдов имеются полыньи, и подводная лодка при необходимости могла бы всплывать на поверхность для зарядки аккумуляторных батарей, связи и определения места. Он планировал пересечь под водой бассейн Северного Ледовитого океана и попытаться достичь Северного полюса.
Поход первой подводной лодки «Наутилус» к Северному полюсу оказался неудачным в достижении поставленных географических целей. Попытка скольжения по нижней поверхности льда с положительной плавучестью, несмотря на созданные и установленные для этого на лодке специальные устройства, потерпела неудачу из-за самой природы арктического льда.
Публикации и комментарии того времени говорили об экспедиции с пренебрежением, а само понятие «подводная лодка подо льдом» рассматривалось как фантастичное. Тем не менее, экспедиция собрала большое количество информации, которая впоследствии оказалась очень ценной для обеспечения безопасности навигации при плавании подо льдами.
Дизель-электрические подводные лодки в Арктике в первое послевоенное десятилетие
После Великой Отечественной войны Советский Союз продолжил практику манёвра сил, в том числе подводных лодок по Северному морскому пути. Первая попытка перевода трёх средних дизельных лодок в послевоенный период с Северного флота (из Кольского залива) на Тихоокеанский флот была предпринята в 1949 году. Из-за тяжёлой ледовой обстановки и отсутствия достаточного опыта пройти трассу за одну навигацию не удалось. Лодки зазимовали в бухте Тикси и завершили переход во Владивосток в следующем году.