Проект атомного ледокола был разработан в ЦКБ-15 в 1953 и 1955 годах после того, как 20 ноября 1953 года Совет министров СССР принял решение о его строительстве. Целью было сопровождение караванов по Северному морскому пути в течение 6-8 месяцев, а при необходимости до 12-14 месяцев.

Главным конструктором проекта стал В. И. Неганов, а атомную установку проектировал Игорь Иванович Африкантов. Научным руководителем работ был назначен академик А. П. Александров. Для ледоколов институт «Прометей» разработал специальные марки корпусной стали АК-27 и АК-28.

Из-за новизны оборудования возникли сложности с компоновкой машинного отделения, поэтому было решено создать его деревянный макет. Это позволило конструкторам отрабатывать компоновочные решения, что было проще и дешевле, чем вносить изменения на строящемся судне.

Судно было заложено 17 июля или 25 августа 1956 года на судостроительном заводе им. А. Марти в Ленинграде. Главным строителем был В. И. Червяков. Турбины для судна изготовил Кировский завод, турбогенераторы, Харьковский электромеханический завод, а гребные электродвигатели, ленинградский завод «Электросила».

Более 500 предприятий Советского Союза разработали 76 новых типов механизмов и 150 новых образцов оборудования специально для атомохода. Ледокол был спущен на воду 5 декабря 1957 года, а ядерная энергетическая установка была смонтирована в 1958-1959 годах. Физический пуск ядерного реактора состоялся 6 августа 1959 года, а 12 сентября 1959 года судно отправилось на ходовые испытания под командованием П. А. Пономарёва.

Во время строительства и испытаний на борту ледокола побывали многие делегации и представители различных стран, включая премьер-министра Великобритании Гарольда Макмиллана и вице-президента США Ричарда Никсона. За время работы ледокол провёл 3740 судов и был награждён орденом Ленина.

3 декабря 1959 года ледокол был передан Министерству морского флота и с 1960 года вошёл в состав Мурманского морского пароходства. Атомный ледокол «Ленин» представлял собой гладкопалубное судно с удлинённой средней надстройкой и двумя мачтами. В кормовой части была размещена взлётно-посадочная площадка для вертолётов ледовой разведки. Ядерная паропроизводительная установка водо-водяного типа обеспечивала паром турбины четырёх главных турбогенераторов, которые питали три гребных электродвигателя, приводящих в действие три гребных винта. Судно имело две автономные вспомогательные электростанции и дистанционное управление механизмами. Экипажу были созданы хорошие условия для длительных арктических плаваний.

Изначально на ледоколе были установлены три реактора типа ОК-150, которые в 1967 году заменили на реакторы ОК-900. Благодаря высокой мощности и автономности, ледокол показал отличную работоспособность, что позволило продлить срок навигации.

С 4 ноября 1961 года капитаном ледокола стал Б. М. Соколов. В 1966 году было принято решение заменить старую трёхреакторную установку с реакторами ОК-150 на более совершенную двухреакторную с реакторами ОК-900 из-за низкой ремонтопригодности. Старую установку утилизировали в заливе Цивольки на Новой Земле после выгрузки топлива. Монтаж новой установки завершили к 1970 году.

Ледокол обладал хорошей ледопроходимостью и за первые 6 лет эксплуатации прошёл более 82 тысяч морских миль, проведя более 400 судов. Всего он преодолел 654 тыс. миль, из них 563,6 тыс. миль во льдах.

В июне 1971 года ледокол «Ленин» вторым из надводных судов прошёл севернее архипелага Северная Земля, начав рейс в Мурманске и завершив его в Певеке. Это подготовило экспедицию ледокола «Арктика» на Северный полюс в 1977 году.

Ледокол «Ленин» проработал 30 лет и в 1989 году был выведен из эксплуатации, став на вечную стоянку в Мурманске. Сейчас на нём действует музей, и ведутся работы по расширению экспозиции.

В январе 2016 года министр культуры России В. Р. Мединский подписал приказ о включении ледокола «Ленин» в единый государственный реестр памятников культурного наследия федерального значения. После проверки, завершившейся в октябре 2018 года, ледоколу был вручен паспорт о присвоении статуса объекта культурного наследия федерального значения России.

В литературе упоминаются несколько инцидентов, связанных с эксплуатацией реакторной установки ОК-150, однако их точная классификация по Международной шкале ядерных событий неизвестна.

1. В феврале 1965 года во время ремонта насосов реактора № 2 произошла кратковременная остановка циркуляции воды, что привело к перегреву активной зоны и повреждению тепловыделяющих сборок. 95 отработанных ТВС были перегружены в хранилище плавтехбазы «Лепсе», остальные 124 ТВС были помещены в контейнер и затоплены в заливе Цивольки.

2. В сентябре 1965 года была обнаружена течь первого контура реактора № 3, что ограничило мощность второго парогенератора.

3. В начале 1966 года на ледоколе произошёл пожар, разрушивший кабельные трассы. Последствия были ликвидированы, а парогенератор заменён.

4. Летом 1966 года была обнаружена новая течь на реакторе № 1, устранить которую без замены корпуса оказалось невозможно.

5. В 1967 году на одном из реакторов была зафиксирована течь трубопроводов третьего контура, что потребовало вскрытия бетонной защиты и нанесло повреждения оборудованию.

Решение о замене ОК-150 на ОК-900 было принято после одного из этих инцидентов и оформлено постановлением Совмина СССР 18 февраля 1967 года.