La clase Gato fue la primera producida en masa para la Armada de EEUU. El diseño de la clase Gato era casi un duplicado de las clases Tambor y Gar. Las únicas diferencias significativas fueron un aumento en la profundidad de buceo de 76 m a 91 m, y la adición de un mamparo hermético que divide la gran sala de máquinas en dos, con dos generadores diesel en cada habitación. Los Gatos eran de construcción parcial de doble casco. El casco interior resistente a la presión estaba envuelto por un casco exterior hidrodinámico. Los huecos entre los dos cascos proporcionaban espacio para los tanques de combustible y lastre. El casco exterior se fusionó con el casco de presión en ambos extremos en el área de los mamparos de la sala de torpedos, de ahí el doble casco "parcial". La experiencia operativa con barcos anteriores llevó a los arquitectos e ingenieros navales de la Oficina de Construcción y Reparación de la Marina a creer que habían sido indebidamente conservadores en sus estimaciones de la resistencia del casco. Sin cambiar la construcción o el grosor del acero del casco a presión, decidieron que los barcos clase Gato serían completamente capaces de operar rutinariamente a 90 metros, un aumento de 15 m en la profundidad de prueba con respecto a las clases anteriores.
Los Gatos eran más lentos al sumergirse que algunos diseños alemanes y británicos debido a que eran más grandes. El almacenamiento de combustible necesario para proporcionar el alcance necesario para las patrullas desde Hawai hasta Japón y viceversa sólo se podía obtener con un submarino grande, que tardaría más en sumergirse que uno más pequeño. Reconociendo esta limitación, los diseñadores de la oficina incorporaron un tanque negativo (a veces llamado "down express") en el diseño, que se inundaba para proporcionar una gran cantidad de flotabilidad negativa al comienzo de la inmersión. Con base en la experiencia posterior de la guerra, el tanque normalmente se mantenía lleno o casi lleno en la superficie, luego se vaciaba hasta una cierta marca después de sumergir el bote para restaurar la flotabilidad neutral. Al comienzo de la guerra, estos barcos podían pasar de la superficie a la profundidad del periscopio en aproximadamente 45 a 50 segundos. En un intento de acelerar este proceso, se perforaron y cortaron orificios adicionales flexibles o de inundación libre en la superestructura para permitir que se inundara más rápido. A mediados de la guerra, estas medidas, combinadas con una mejor formación de la tripulación, redujeron los tiempos de inmersión a 30-35 segundos, un tiempo muy rápido para un barco tan grande.
El gran tamaño de estos barcos afectó negativamente a la maniobrabilidad tanto en superficie como bajo el agua en comparación con los submarinos más pequeños. No se disponía de una solución práctica para esto debido a las limitaciones de los sistemas hidráulicos instalados que movían el timón. Aunque era un motivo de preocupación, el radio de giro seguía siendo aceptable. Después de la guerra, algunos submarinos de la flota fueron equipados con un timón adicional.
Esta clase poseía numerosas comodidades para la tripulación, como aire acondicionado, almacenamiento refrigerado para alimentos, unidades de destilación de agua dulce, lavadoras de ropa y literas para casi todos los miembros de la tripulación; estos eran lujos prácticamente desconocidos en otras armadas. Los diseñadores consideraron que si una tripulación de 60 a 80 hombres iba a realizar patrullas de 75 días en las cálidas aguas del Pacífico, este tipo de características eran vitales para su salud y su eficiencia. Podrían agregarse sin afectar las capacides bélicas del submarino debido al espacio adicional que poseía. El aire acondicionado en particular también tenía una aplicación muy práctica. Tras sumergir un submarino durante cualquier período de tiempo, el calor generado por los motores recientemente apagados, los equipos electrónicos y 70 cuerpos calientes elevaba rápidamente las temperaturas internas por encima de los 38º C. La alta humedad generada por las aguas tropicales se condensaba rápidamente y comenzaba a gotear en el equipo, lo que causaría cortocircuitos e incendios. El aire acondicionado, que actuaba como deshumidificador, prácticamente eliminaba este problema y aumentaba la fiabilidad mecánica y eléctrica.
Doce submarinos de esta clase que fueron construidos por Electric Boat recibieron las que serían las instalaciones finales del motor diésel de doble efecto Hooven-Owens-Rentschler (HOR). La Marina había estado probando este motor de manera intermitente desde 1937 porque su diseño único prometía casi el doble de potencia con el mismo tamaño que otros tipos de motores diesel. Lamentablemente, la empresa HOR tuvo graves problemas de diseño y fabricación, y estos motores resultaron ser una pesadilla operativa y de mantenimiento. Las averías frecuentes y la total falta de fiabilidad destruyeron la reputación de estos motores con la Marina y todos fueron retirados a la primera oportunidad y reemplazados por motores diesel tipo V 16-278A de General Motors. Los otros Gato recibieron el motor Fairbanks-Morse 38D 8-1/8 de 9 cilindros o el tipo V de General Motors Cleveland 16-248 como instalaciones originales. Estos motores eran resistentes, robustos y muy apreciados por las tripulaciones y servían bastante bien.
Al comienzo de la guerra, la clase Gato, Gar y Tambor, tenían torres visualmente similares a los submarinos nucleares modernos. La experiencia durante la guerra llevó a la reducción progresiva de esta estructura para reducir la visibilidad y el perfil del radar a expensas del rendimiento bajo el agua y la comodidad operativa en mal tiempo. Un beneficio adicional de estas modificaciones fue la creación de ubicaciones convenientes para los cañones antiaéreos.
Los Gatos eran más lentos al sumergirse que algunos diseños alemanes y británicos debido a que eran más grandes. El almacenamiento de combustible necesario para proporcionar el alcance necesario para las patrullas desde Hawai hasta Japón y viceversa sólo se podía obtener con un submarino grande, que tardaría más en sumergirse que uno más pequeño. Reconociendo esta limitación, los diseñadores de la oficina incorporaron un tanque negativo (a veces llamado "down express") en el diseño, que se inundaba para proporcionar una gran cantidad de flotabilidad negativa al comienzo de la inmersión. Con base en la experiencia posterior de la guerra, el tanque normalmente se mantenía lleno o casi lleno en la superficie, luego se vaciaba hasta una cierta marca después de sumergir el bote para restaurar la flotabilidad neutral. Al comienzo de la guerra, estos barcos podían pasar de la superficie a la profundidad del periscopio en aproximadamente 45 a 50 segundos. En un intento de acelerar este proceso, se perforaron y cortaron orificios adicionales flexibles o de inundación libre en la superestructura para permitir que se inundara más rápido. A mediados de la guerra, estas medidas, combinadas con una mejor formación de la tripulación, redujeron los tiempos de inmersión a 30-35 segundos, un tiempo muy rápido para un barco tan grande.
El gran tamaño de estos barcos afectó negativamente a la maniobrabilidad tanto en superficie como bajo el agua en comparación con los submarinos más pequeños. No se disponía de una solución práctica para esto debido a las limitaciones de los sistemas hidráulicos instalados que movían el timón. Aunque era un motivo de preocupación, el radio de giro seguía siendo aceptable. Después de la guerra, algunos submarinos de la flota fueron equipados con un timón adicional.
Esta clase poseía numerosas comodidades para la tripulación, como aire acondicionado, almacenamiento refrigerado para alimentos, unidades de destilación de agua dulce, lavadoras de ropa y literas para casi todos los miembros de la tripulación; estos eran lujos prácticamente desconocidos en otras armadas. Los diseñadores consideraron que si una tripulación de 60 a 80 hombres iba a realizar patrullas de 75 días en las cálidas aguas del Pacífico, este tipo de características eran vitales para su salud y su eficiencia. Podrían agregarse sin afectar las capacides bélicas del submarino debido al espacio adicional que poseía. El aire acondicionado en particular también tenía una aplicación muy práctica. Tras sumergir un submarino durante cualquier período de tiempo, el calor generado por los motores recientemente apagados, los equipos electrónicos y 70 cuerpos calientes elevaba rápidamente las temperaturas internas por encima de los 38º C. La alta humedad generada por las aguas tropicales se condensaba rápidamente y comenzaba a gotear en el equipo, lo que causaría cortocircuitos e incendios. El aire acondicionado, que actuaba como deshumidificador, prácticamente eliminaba este problema y aumentaba la fiabilidad mecánica y eléctrica.
Doce submarinos de esta clase que fueron construidos por Electric Boat recibieron las que serían las instalaciones finales del motor diésel de doble efecto Hooven-Owens-Rentschler (HOR). La Marina había estado probando este motor de manera intermitente desde 1937 porque su diseño único prometía casi el doble de potencia con el mismo tamaño que otros tipos de motores diesel. Lamentablemente, la empresa HOR tuvo graves problemas de diseño y fabricación, y estos motores resultaron ser una pesadilla operativa y de mantenimiento. Las averías frecuentes y la total falta de fiabilidad destruyeron la reputación de estos motores con la Marina y todos fueron retirados a la primera oportunidad y reemplazados por motores diesel tipo V 16-278A de General Motors. Los otros Gato recibieron el motor Fairbanks-Morse 38D 8-1/8 de 9 cilindros o el tipo V de General Motors Cleveland 16-248 como instalaciones originales. Estos motores eran resistentes, robustos y muy apreciados por las tripulaciones y servían bastante bien.
Al comienzo de la guerra, la clase Gato, Gar y Tambor, tenían torres visualmente similares a los submarinos nucleares modernos. La experiencia durante la guerra llevó a la reducción progresiva de esta estructura para reducir la visibilidad y el perfil del radar a expensas del rendimiento bajo el agua y la comodidad operativa en mal tiempo. Un beneficio adicional de estas modificaciones fue la creación de ubicaciones convenientes para los cañones antiaéreos.