Строительство завода началось в 1936 году недалеко от Николо-Корельского монастыря в Никольском устье Северной Двины. Уже через год возле монастыря был построен посёлок Судострой.
Официальной датой начала производственной деятельности предприятия считается 21 декабря 1939 года – день закладки на стапеле первого корабля, линкора «Советская Белоруссия». Заводу был присвоен номер 402. Созданный для постройки крупных кораблей – линкоров и крейсеров, завод в годы Великой Отечественной войны строил большие морские охотники, эсминцы, дизельные подводные лодки. Предприятие также обеспечивало боеспособность кораблей Северного флота и ремонт судов, доставлявших Северным морским путём грузы союзников.
К середине 1950-х годов верфь сдала флоту 46 кораблей, в том числе 2 крейсера, 20 эсминцев и более 30 различных судов гражданского назначения. Тогда же завод приступил к постройке дизель-электрических подводных лодок (ДЭПЛ) проекта 611 и его модификаций. По проекту 611 создана первая в мире подводная лодка, вооружённая баллистическими ракетами. Всего на «Севмаше» до 1962 года построено 33 ДЭПЛ.
24 сентября 1955 года состоялась закладка первой советской атомной подводной лодки с ядерной энергетической установкой проекта 627 «Ленинский комсомол». За постройку корабля и высокое качество работы завод №402 был награждён орденом Ленина. На стапелях «Севмаша» построено 37 АПЛ первого поколения.
9 сентября 1959 года завод №402 преобразован в Северное машиностроительное предприятие.
В 1967 году ВМФ передан первый советский атомный подводный крейсер стратегического назначения проекта 667А с баллистическими ракетами на борту. За пять лет в строй были введены 24 атомных ракетоносца второго поколения, благодаря чему был достигнут паритет с США по морской составляющей ядерных сил. С 1972 по 1990 год было построено 35 АПЛ различных модификаций проекта 667.
В 1969 году на «Севмаше» была построена первая в мире атомная подводная лодка с корпусом из титанового сплава (проект 661). На испытаниях она развила максимальную для субмарин скорость подводного хода в 44,7 узла.
В середине 70-х годов была проведена крупнейшая реконструкция предприятия. Для постройки кораблей третьего поколения производственные мощности «Севмаша» были удвоены. В 1980 году построена первая АПЛ третьего поколения проекта 949, вооружённая 24 противокорабельными крылатыми ракетами. Год спустя вошёл в строй головной подводный ракетоносец проекта 941 (сейчас – «Дмитрий Донской») с ракетным комплексом «Тайфун». Эта АПЛ занесена в Книгу рекордов Гиннесса как самая большая атомная подлодка в мире.
В 1983 году ВМФ передана опытная глубоководная титановая АПЛ проекта 685 с глубиной погружения до 1000 м – самая глубоководная боевая АПЛ в истории мирового подводного кораблестроения.
С конца 1980-х до начала 2000-х гг. на предприятии построена серия многоцелевых АПЛ проекта 971.
Сегодня «Севмаш» – единственная верфь России, ведущая строительство атомных подводных лодок для ВМФ страны. За свою историю завод передал Военно-морскому флоту 128 АПЛ. В 2008 году спущен на воду головной атомный подводный ракетоносец нового поколения «Юрий Долгорукий», который в настоящее время проходит испытания. В 2009 году заложена АПЛ «Казань». В июне 2010 года на воду спущен подводный крейсер «Северодвинск», а в ноябре – ракетоносец «Александр Невский», которые в настоящее время также проходят испытания. В цехе ведётся строительство АПЛ «Владимир Мономах». На акватории предприятия проходит ремонт тяжёлый атомный ракетный крейсер «Адмирал Нахимов».
В рамках военно-технического сотрудничества с зарубежными странами в 2003–2005 гг. построены две дизель-электрические подводные лодки проекта 636. По межправительственному соглашению с Республикой Индия идёт ремонт и модернизация авианосца проекта 11 430 («Адмирал Горшков»).
Неотъемлемой частью производства «Севмаша» является гражданское судостроение. С 1990 года на предприятии построено более 100 гражданских судов различного класса и назначения (буксиры, мини-балкеры, понтоны, баржи, рыборазводные заводы). Ведётся строительство специализированных танкеров-химовозов, океанских яхт. Предприятие производит изделия судового машиностроения, оборудование для энергетической, металлургической, химической и других отраслей промышленности. Машиностроители «Севмаша» освоили высокотехнологичную продукцию для атомной отрасли – транспортно-упаковочные контейнеры для отработанного ядерного топлива подводных лодок, ледоколов и АЭС.
