Создание К-3 (проект 627 «Кит») началось в 1952 году. Над проектом работали 35 научных институтов, более 20 конструкторских бюро и около 100 промышленных предприятий. Лодку заложили 24 сентября 1955 года в Северодвинске на заводе №402 (ныне «Севмаш»). В июле 1958 года на К-3 подняли военно-морской флаг. К началу 1960-х годов атомоход уже имел за плечами несколько дальних походов, но задача достичь Северного полюса подо льдами была качественно иной.
Идея подлёдного плавания к полюсу долгие годы оставалась мечтой подводников. Дизельные лодки требовали периодического всплытия для подзарядки аккумуляторов, что в условиях сплошного ледового панциря высоких широт было невозможно. Только с появлением атомных энергетических установок, не зависящих от воздуха, такой поход стал реальным. К-3 была выбрана для этой миссии не случайно: как первенец советского атомного флота, она и экипаж должны были делать всё впервые.
Выход в море 11 июля стал началом шестидневного похода подо льдами Северного Ледовитого океана. На пути к полюсу лодка обогнула Шпицберген, вышла на Гринвичский меридиан и, нырнув под лёд, отправилась точно на север.
17 июля 1962 года в 6 часов 59 минут 10 секунд по Гринвичу в отсеках раздалось: «Ноль! Северный полюс!». Лодка в подводном положении прошла географическую точку полюса. Однако всплыть непосредственно на полюсе не удалось: толщина ледового покрова достигала 12 метров. Лишь на следующий день, 18 июля в 9 часов 33 минуты, на широте 84 градуса 53 минуты была найдена небольшая полынья, заполненная обломками льда толщиной до двух метров.
Впервые в истории советского подводного флота лодка всплыла в районе Северного полюса. Подводники вышли на лёд и в торжественной обстановке водрузили на самом высоком торосе Государственный флаг СССР и Военно-Морской флаг. Этот момент стал символом победы СССР в технологическом соперничестве с США.
За время похода К-3 прошла 3115 миль, из них около 1300 — подо льдом. Плавание проходило со средней скоростью около 15 узлов на глубине от 15 до 120 метров. Лодка дважды пересекала точку Северного полюса. В последующие дни она несколько раз всплывала для сеансов связи и обсервации, в том числе в полынье, размеры которой лишь незначительно превосходили длину атомохода.
По итогам похода старший на борту командующий флотилией подводных лодок контр-адмирал Анатолий Петелин, командир К-3 Лев Жильцов и командир электромеханической боевой части инженер-капитан 2-го ранга Рюрик Тимофеев были удостоены звания Героя Советского Союза. Весь экипаж получил государственные награды.
Вскоре после этого похода первенцу советского атомного подводного флота было присвоено имя «Ленинский комсомол». Лодка оставалась в боевом составе флота почти 30 лет — до октября 1987 года. Сегодня К-3 — музейный корабль, который является центральным экспонатом музея военно-морской славы в Кронштадте.