“弗吉尼亚”级的舰身较“海狼”级小，直径与“洛杉矶”级核潜艇相若。相较于冷战思维的“海狼级”是在大洋中有效压制、猎杀苏联任何核潜艇以夺得水下制海权，“弗吉尼亚”级则把焦点放在20世纪90年代以来层出不穷的地区性冲突上，故十分强调多重任务的弹性，包括近岸作战能力、对地攻击能力、特种作战与情报搜集（除了施放特战部队上岸侦察之外，潜艇本身在敌方海域搜集电子情报的能力也极为重要）等等。而在近岸环境可能遇到的状况──复杂的水文与海底情况、严重的水下背景杂音干扰、敌方布放水雷甚至是面对新一代俄制传统动力潜艇等等，都与美国海军以往所熟悉的大洋反潜作战有极大差异。因此美国海军在“弗吉尼亚”级的设计中加入许多以往美国潜艇所无的元素，例如能在噪声严重的浅海有效操作的声纳系统（特别是高频主动声纳）、水雷侦测/反制装备以及多种无人遥控载具的操作能力等等，此外还有完善的特战部队相关设施，这些都将对现行美国海军的潜艇运用方式造成巨大的冲击与改变。
“弗吉尼亚”级仍沿用圆柱形泪滴流线舰体，尺寸虽较类似洛杉矶级，但是由于沿用许多“海狼”级的研发成果，诸多外型特征如前方具有弯角造型的帆罩、舰首伸缩水平翼、两侧各三个宽孔径被动数组声纳（WAA）的听音数组、六片式尾翼以及尾端水喷射推进器等，都与海狼级一模一样，因此从外观看起来仿佛是“海狼”级的缩小版。
“弗吉尼亚”级的武器筹载量、航速以及潜航深度都不如“海狼”级，但是静音能力将维持“海狼”级的超高水平。该级艇拥有各项与“海狼”级相同的最新的静音科技，例如精心设计的轮机/管路设置、舰体外部的消音瓦、降低水流噪讯的舰体外型设计、主机的弹性减震基座以及喷水推进器等等；全舰各处总共设有600个噪音/震动侦测器（海狼级只有26个），随时监控舰上各处的震动情况情况，发现异常便立刻处理，将整体噪音降到最低；此外，为了降低引爆感应水雷的机率，本级舰也将使用消磁科技。
由于设计较晚，“弗吉尼亚”级得以采用比“海狼”级更先进的科技与装备。本级舰拥有Chin高频主动声纳系统，包括两具分别位于舰首下方与帆罩上的高频主动声纳，可精确测绘海底与雷区，大幅加强了近岸操作与反水雷能力，这是以往美国潜艇所不具备的。“弗吉尼亚”级拥有先进的桅杆群，包括内含GPS的电子桅杆、可高速自卫星传送对地武器所需目标数据的高数据交换率桅杆、无线电收发桅杆以及可调整任务的AN/BVS-1光电搜索/攻击潜望镜组等。
AN/BVS-1光电潜望镜由美国潜望镜大厂──柯尔摩（Kollmorge）研发，整合有低光度电视摄影机（lowlightTV，LLTV）、红外线热影像仪与雷射标定器，不仅功能远比传统光学潜望镜强大，其影像直接以光纤传至控制中心的平面显示器上，不再需要传统潜望镜底下的目视镜，因此控制中心改在第二层甲板，不必如以往需设在帆罩下方。AN/BVS-1的桅杆部分为柯尔摩根与其意大利次承包商──Calzoni合作生产的通用模块化桅杆群（UniversalModularMast）。
舰桥内有大量大型先进平面显示器以及大型开放配置图，提供指挥官充分信息并帮助其判断与决策，舰上也以先进的触控式操控显示萤作为主要操作接口。此外，该级艇的Eavesdropper收发系统可侦测数海里外连卫星也无法截获的讯号，可用来进行卫星通讯或武器控制。以上这些系统赋予“弗吉尼亚”级极强的电子讯号/情报收集能力。“弗吉尼亚”级的C3I系统由洛克希德·马丁公司海洋电子部（LockheedMartinNavalElectronics）与NE&SS水下系统公司主导研发，将采用数字化的航行操控系统，舵手透过类似电动玩具的双杆/四按钮游戏杆系统来控制潜艇的航行运动。
此外，“弗吉尼亚”级核潜艇的艇体采用了计算机技术支持的模块化设计，各分舱可按照具有不同功能的舱段模块分别建造。该级核潜艇的主机舱采用浮筏减震的整体模块设计，大幅度降低了艇上噪音。另外，“弗吉尼亚”级核潜艇推进设备使用的动力电缆和阀门、断路器、泵等，其数量仅分别为“洛杉矶”级攻击型核潜艇的50%、40%和30%左右。而且，由于采用了由计算机技术支持的模块化设计技术，因此在21世纪，美国海军可以根据环境的需要和未来新技术的发展情况，利用先进的模块化技术，在“弗吉尼亚”级新艇建造的过程中或者利用“弗吉尼亚”级在役艇大修的机会可以迅速、便捷地更换具有不同功能的舱段模块，使“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇在标准型的基础上衍生出不同种类的或者具有不同专项用途的核潜艇。
譬如，在标准型“弗吉尼亚”级核潜艇的鱼雷舱段中，鱼雷发射管的后面是备用鱼雷台架，如果对这一部分的舱段模块稍做改动，即可在备用鱼雷台架的位置上加设一个可容纳40名特种部队人员及其装备的居住舱。这时，“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇便轻易地被改为一艘输送特种部队人员的专用核潜艇。
“弗吉尼亚”级核潜艇的指挥台围壳为装有非穿透型潜望镜、8根天线和桅杆接口的独立模块结构。如果将来需要使“弗吉尼亚”级核潜艇以搜集情报或者侦察为主的话，可适当改变指挥台围壳内的天线和桅杆接口内容，使其更加灵活、机动和高效地执行侦察和情报搜集等方面的任务。早在“弗吉尼亚”级核潜艇处于方案论证阶段时，美国海军便已经在论证利用模块化技术把“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇迅速改为弹道导弹核潜艇的可行性。从目前“弗吉尼亚”级核潜艇的设计情况来看，利用功能性舱段模块完全可以做到这一点。美国海军曾经打算在21世纪“俄亥俄”级弹道导弹核潜艇逐渐退役的时候，利用模块化技术，以标准型的“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇为基础，将其改换成弹道导弹核潜艇，以便对美国海军弹道导弹核潜艇的数量加以补充。与重新设计和建造新型的弹道导弹核潜艇相比，采用增加功能舱段模块使“弗吉尼亚”级核潜艇成为弹道导弹核潜艇的方法，不仅可以大量节约研制费用，而且还可缩短新型弹道导弹核潜艇的建造周期。
从“弗吉尼亚”级攻击型核潜艇的内部设计来说，该级核潜艇首端的声纳系统、指挥控制舱中的作战指挥系统以及武器装备等艇上的重要装置和设备均采用了功能模块的设计原理。随着时代和技术的发展，这些艇上的重要设备全部可以利用换装模块的方式及时地装设最新的功能模块，使该级核潜艇可以最大程度地发挥出它所具有的潜能，并且永远保持与时代高新技术处于同步状态的先进性能。从这个意义上来说，“弗吉尼亚”级核潜艇在21世纪既是具有多用途的攻击型核潜艇，又是在战略威慑力量和多种专项用途方面具有很大潜力的水下作战平台。客观地说，21世纪美国海军水下战场的主力应该是非“弗吉尼亚”莫属，这也正是该级核潜艇尚处于设计阶段便引起各国海军格外瞩目的原因。
