柴油潛艇的運作挑戰起初似乎有些矛盾。這些潛艇的引擎需要氧氣運行，但它們卻經常在海洋表面下航行。海軍工程師在一百多年前便解決了這一挑戰，通過將發電與水下推進分開，創造出現代的柴油電動潛艇系統，這一系統至今仍被廣泛使用。
與水面艦艇不同，柴油潛艇在潛水時並不會持續運行引擎。相反，這些潛艇運行於兩個相互關聯的系統中：柴油發電機和電池驅動的電動馬達。當潛艇位於水面或在水下淺層使用浮筒時，柴油引擎運行，驅動發電機為大型船上電池組充電並提供推進。一旦潛艇潛入水中，柴油引擎便關閉，潛艇則使用儲存的電能通過電動馬達靜靜移動。
傳統潛艇依賴柴油引擎進行水面巡航和電池充電，而水下運動則完全依賴電動推進。這種安排不僅允許潛水作業，還提升了隱蔽性。電動馬達產生的機械噪音遠低於燃燒引擎，這使得柴油電動潛艇在沿海作戰和監視任務中尤為有效。
根據《Jalopnik》的報導，柴油引擎在深水中無法運行，因為它們需要持續的清新空氣供其燃燒和排氣。因此，這些引擎只能在潛艇浮出水面或浮筒時運行，基本上充當發電機，為電池充電，而不是在深水作業期間直接驅動螺旋槳。
歷史工程研究顯示，這一概念，即柴油引擎充電電池而電動馬達在水下驅動螺旋槳，成為20世紀常規潛艇的主導推進方式。這種方式允許快速潛水、靈活的機械佈置，並降低了聲學探測的風險。
即使擁有大型電池組，柴油電動潛艇最終仍需充電。傳統上，這需要浮出水面或在淺水區運行，使用浮筒系統在柴油發電機運行時吸入空氣並排放廢氣。海軍分析師指出，浮筒期間潛艇可能會暴露於探測之中，因為進氣桅杆和排氣排放會產生可觀察的信號。
隨著技術的進步，水下耐力得到了延長。許多現代潛艇現在使用空氣獨立推進（AIP）系統，這一系統在無需大氣氧氣的情況下產生電力，使其能夠在低速下潛水數周，然後再用柴油引擎充電。最近的設計中，AIP 模組能夠將水下耐力從約兩天延長至數周，顯著提高了隱蔽性和作戰靈活性。
儘管缺乏核潛艇幾乎無限的耐力，柴油電動潛艇仍因其較低的成本、機械簡單性和在電池運行時極為安靜的特性而被廣泛使用。美國海軍學會指出，這些潛艇在電力運行時所產生的聲學信號可與一些最安靜的核潛艇相媲美，使它們在沿海防禦、情報收集和監視任務中尤為有效。
這一結果是一種混合推進架構，圍繞著燃燒引擎的限制而設計。柴油潛艇在水下運行並不是通過在深水中運行引擎，而是利用先前在水面或通過其他電力系統生成的儲存電能。這一設計可能已有數十年歷史，但柴油電動潛艇的混合方式仍然證明，即使是吸入空氣的引擎也能支持在海底的長時間作業。
