与此同时，西印度群岛局势恶化，苏联根据“阿纳德尔”计划，开始向古巴提供援助，苏联海军司令部决定把北方舰队第20分舰队部署到古巴的马里埃尔港口，由雷巴尔科少将率领，共11艘潜艇，其中7艘为629型潜艇，派遣纳特年科夫中校指挥Б-75号潜艇打头阵，在编队前面先行对美军关塔那摩基地进行侦察。美国海军很快就掌握了苏联海军潜艇编队动向，派出了大量兵力，在西印度群岛附近海域进行拦截和封锁。双方短兵相接，局势非常凶险，1962年9月11日苏联海军进入高度战备状态。1962年10月1日，由Б-4号、Б-36号、Б-56号、Б-130号4艘潜艇组成的编队在第69潜艇支队司令阿加法诺夫上校的指挥下，前往古巴海域，在巴哈马群岛地区，被美军发现、跟踪，Б-4号潜艇摆脱了美军纠缠，另外3艘潜艇无法顺利摆脱美军反潜部队的追踪，能源耗尽后，被迫浮出水面，美军则示威性地向苏联海军潜艇附近水域发射深水炸弹，动用航炮轰炸，使用机枪扫射，采用无线电干扰方式压制苏联海军通信频道，绕着苏联潜艇进行危险的机动，炫耀武力。同时，在西印度群岛危机框架下，苏联海军吉列耶夫中校指挥Б-88号潜艇在西印度群岛附近的太平洋海域活动，它直接逼近了美国海军基地，搜索“星座”号航母及其舰载航空兵突击群，没有被美军发现。这样，兵分两路的6艘潜艇中，只有3艘，即Б-4号、Б-88号、Б-75号，没有被美军发现并包围。
苏联海军潜艇此次向古巴方向突破遭到失败有多种原因，主要是缺少摆脱美军反潜部队追踪的经验和司令部指挥错误。在潜艇部署过程中，小面积机动区域和待机区域被分割，没有后备区域，没有向岛屿突破时宽阔的侧翼保障，没有考虑到白天和夜晚在通信联系、确定方位等方面的差别。
苏联国防部对古巴危机中的失败恼羞成怒，当时的第一副国防部长格列契科元帅宣称，宁愿使潜艇沉没，也不能浮出水面投降。但美国人是实用主义者，更客观、更冷静地分析了当时的局势，明白在美国海岸附近与苏联进行激烈对抗会产生什么样的严重后果，最后采取了相对理智的行动，迫使苏联潜艇乘兴而来，扫兴而去。
不过，苏联海军并没有就此罢休。到1963年底，苏联已经在美国沿海直接部署了5艘潜艇，分别是Б-139号、Б-77号、Б-76号、Б-74号、K-153号，在美军反潜防御区域内积极活动，成功完成战斗侦察任务后，先后安全返回基地。
苏美潜艇不仅在西印度群岛危机中短兵相接，在其它海域也经常发生冲突。1963年，太平洋舰队施特罗夫少校指挥的C-141号潜艇，被美国77.4航母突击群和70.3航空兵搜索突击群发现，遭到攻击，艇尾上部结构被炸毁，在反击中艰难地脱离战区，摆脱了美军追逐。同样是在1963年，北方舰队斯柳萨列夫中校指挥K-133号核潜艇，在大西洋赤道地区海域执行首次全续航时的战斗航行任务，侦察并研究在赤道地区建立新声纳站的可能性问题，途中与美军潜艇发生了武装冲突。
