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  二次大戰中,於1939年開始的大西洋海戰,德國使用的主力潛艇—VII級潛艇在戰場上已逐漸顯得過時,因此海軍潛艇總司令卡爾·鄧尼茲將VIIC型和IX級潛艇的建造計劃變更,全力將資源投入於高速新式潛艇的建造。XXI級潛艇改進了德軍舊有的電池容量,約有VIIC型的3倍,大大增加了它的水下航程,並縮短所需要浮出水面的時間。XXI級能用了不到5小時的通氣管充電,就能擁有水下以5節速度連續潛航2到3天而不用重新充電的能力。XXI級也比VIIC型還要安靜,使其在潛航時較不易被發現。XXI級的艦體也設計的簡單化、流線型,提高潛航速度和減少潛航阻力使它較難被加以追蹤後摧毀。  XXI級的艦內空間與裝置也比以往來的更大更好,大型的艦體搭載了多組蓄電池後仍有空間,同時艦上的冷凍裝置和其他艦上沒有的淋浴間。另外XXI級也有特別的液壓魚雷自動裝填系統,能讓裝配魚雷時間變得很短(能在20分鐘裡發射18枚魚雷),魚雷射速也更快。XXI級同時還有更先進的聲納系統,可用來瞄準發射魚雷,而不需藉由潛望鏡瞄準,增加其隱蔽性。XXI級潛艇內共存有23枚魚雷,或17枚魚雷和12枚水雷,艇首有6座魚雷發射管;以往潛艇配置的甲板砲和高射砲也在重視流線造型下被簡化,只設計2座雙連裝20毫米高射砲塔。

  XXI級的生產採用了與以往不同的方法,以模組化生產,將整艘潛艇分為8個部分生產,於32家造船廠的零件所製造,再集中到11間造船廠裡進行組裝,生產速度大幅提升,每6個月就能下水一艘,也減少了盟軍轟炸的效果。然而此作法卻使得多數零件有著整合或品質不一的問題,事後還需要另做調整。1943年到1945年之間,德國在漢堡的布洛姆·大眾造船廠、不來梅的威瑟公司造船廠和但澤的希肖造船廠共組裝了118艘XXI級潛艇,1944年5月,第一艘XXI級潛艇下水。但因為品質問題,僅有4艘通過試驗能夠在戰爭結束前接戰,又由於德軍有經驗的潛艇水手已極為缺乏,導致出戰的XXI級非常少。由於盟軍壓倒性的海空兵力壓迫,其量產時間過晚,XXI級潛艇對戰況沒有影響。

  只有U-2511和U-3008這2艘是進行過戰鬥巡弋的XXI級潛艇,且它們都沒有進行任何戰鬥。由艾伯特·施尼(Adalbert Schnee)上校所指揮的U-2511在4月17-18日夜間用聲納定位了一艘潛艇,但怕對方是己方的德國潛艇,所以放棄開火,但實際上那是英國的TAPIR號。然後在5月4日3點鐘收到了停戰命令,之後它發現了諾福克號重巡洋艦並對它進行了開火演練,但也沒有真的開火,之後就返回德國港口。 大部分的XXI級潛艇都直接報廢或鑿沉處理,但有8艘被盟國瓜分研究,美國得到了U-2513和U-3008,並服役於美國海軍;U-3017則交給了英國皇家海軍,並改名為「HMS N41」;U-2518給了法國海軍,改名為「羅蘭德·末裡羅特號」(Roland Morillot),參與了蘇伊士運河戰爭並持續服役到1967年。

  因為波茨坦協定,蘇聯得到了4艘XXI級潛艇,U-3515、U-2529、U-3035和U-3041,並服役於蘇聯海軍,分別改為B-27、B-28、B-29和B-30(後改稱為B-100)。然而西方盟國認為蘇聯已獲得更多的XXI潛艇,美國聯合情報委員會估計1948年1月時蘇聯擁有15艘XXI級潛艇,並能在2個月裡建造6艘,一年半里建造39艘,並使用但澤的潛艇製造廠,進行與德國相同作法的分段建造。U-3538到U-3557裡的XXI級潛艇(分別為蘇聯編號TS-5、TS-19、TS-32和TS-38)由於沒有完成而報廢,並在1947年於但澤港裡鑿沉。這4艘獲得的XXI級潛艇被派往波茨坦進行試驗,直到1955年鑿沉或用於1958年至1973年之間的核武試驗。蘇聯也以XXI級潛艇為基礎,研製了W級潛艇。

  原本在戰後被鑿沉的U-2540,又在1957年被打撈上岸,作為西德海軍的威廉·鮑爾號調查船,後來成為了德國不來梅港海事博物館。1985年,有人於德國漢堡發現了部分報廢的「易北河II」潛艇洞庫裡的U-2505、U-3004和U-3506,後將它填補。
XXI級潛艇(、或稱Typ XXI)是納粹德國海軍在第二次世界大戰後期使用的一級潛艇,也是世上第一種完全為水下作戰設計、而非以往為攻擊和躲避水面艦攻擊才下潛的潛艇,為近代潛艇的雛型。