“特拉法尔加”级核潜艇艇体采用水滴线型设计，长宽比为8.7，接近最佳值7，因而有利于提高航速。它的总体布置与结构合理。艇体为单壳体结构。艇壳使用QN-1型钢。它的动力装置先进。它装有一台英国自行研制的PWR-1型压水堆装置，热功率为100兆瓦，采用Z型堆芯，堆芯寿命7年，换料后可更换寿命为12年的G型堆芯，续航力随之可增为30万海里以上。另外，它还备有两台单轴蒸汽轮机，可提供轴功率18.4兆瓦。它还有两台应急辅助推进柴油发电机组，功率2.09兆瓦。该级艇为艇员提供了舒适的生活条件，居住性好，自持力达70天，有利于提高战斗力。
“特拉法尔加”级艇辐射噪声低，隐形性好，创造了几个“世界第一”。它在世界上率先采用浮筏减振，第一个在潜艇上采用泵喷射推进器，选用经过淬火的高频硬化齿轮，在艇体外表面敷设消声瓦等，因而辐射噪声低，是同期世界上噪声最低的潜艇之一。
具有对陆攻击能力是“特拉法尔加”级核潜艇的最突出改进。它因此成为一种攻击能力强、造价比较便宜的实用型多功能攻击型核潜艇。它的排水量仅为美国“洛杉矶”级攻击型核潜艇的75％，却装备了“战斧”远程巡航导弹、“鱼叉”反舰导弹和“旗鱼”鱼雷，武器系统先进，使其反潜、反舰能力和对陆攻击能力与“洛杉矶”级攻击型核潜艇不相上下。尤其是它艏部所装的5具533毫米鱼雷发射管可发射主／被动声自导“旗鱼”式线导鱼雷，攻击速度55节，潜深达1200米。最近，开始装备“战术战斧”的“特拉法尔加”号有着灵活的攻击力，射程达1204公里。它发射“鱼叉”IC型反舰导弹，射程达130公里。它还配有“虎鱼”式鱼雷，还能携带50枚MK5“石鱼”或MK6“海胆”水雷。它电子设备先进，装有17部声呐设备，各种功能齐备，且不断更新，使它“耳灵眼尖”，探测目标能力强。其中，2020型声呐是装设在艏部的主动低频艇壳声呐，具有很好的被动探测能力，用于搜索和攻击，进行目标定位与识别以及武器火控系统使用。它的雷达系统装备了1007型I波段导航雷达，当潜艇处于潜望航行时可给出目标的方位和距离。艇上设置了UAP电子战支援措施，包括雷达告警接收机和被动侦察系统，提供超视距目标数据。它装有两部FM1600E型电子计算机，可从艇上所有传感器接收数据，同时对几个目标的运动进行分析，并且对鱼雷和导弹发出攻击指令。
“特拉法尔加”级核潜艇先进的性能特点并不是一开始就完全具备的，而是自服役以来进行多次现代化技术改进和升级，如用2020型替换2001型声呐，用2072型声呐替换2007型声呐，用2026型拖曳线列阵替换2024型声呐等。它陆续换装新型武器，如“旗鱼”鱼雷、“战斧”远程巡航导弹和“战术战斧”。它改装新型堆芯。7艘艇相继换装G型堆芯，换料期间同时进行大修和改装，包括装备泵喷射推进系统、新型潜艇作战指挥系统，还在换料大修期间改装新型SMCS潜艇指挥系统和电子支援措施，换装CH-51型搜索潜望镜和CK-91型攻击潜望镜，未来还将换装非穿透型光电桅杆。这再次证明，不断改进升级是老武器增加新战力的最佳途径。
