反思之作，巧妙设计
弗吉尼亚级是继海狼级之后美海军的反思之作，之所以这样讲，是因为海浪级的设计仍延续冷战时期“末日战争”的思维路线，有高航速、大潜深和良好的声信控制能力并装有先进的BSY-2综合作战系统，但并不适合在浅海水域活动，造价过于昂贵，而度过整个冷战后半期的洛杉矶级核潜艇多少也有浅海活动举步艰难的问题，这些缺陷也正是弗吉尼亚级设计所强调改进的。
“伊利诺伊”号属于弗吉尼亚级的第三生产批次，水下排水量为7800吨，艇长约115米，直径约10米，水下航速可达25节，潜深超过240米。该艇主动力装置为一座PWRS9G压水堆和两台涡轮机，功率为2.4万马力，单轴泵喷射推进，核反应堆的核燃料在30年寿命期内无须更换，节省换料费用和时间。它是美国第一种完全由电脑设计的潜艇，艇型呈瘦长水滴形，长宽比为11.1，比海狼级（长宽比8.8）苗条许多，由于减少了部件数，与海狼级核潜艇相比，“伊利诺伊”号更加安静，唯其航速、潜深和武器载荷方面略低于海狼级。顺便提一下，与海狼级21亿美元一艘的造价相比，以“伊利诺伊”号为代表的弗吉尼亚级艇仅为其造价的一半左右。
由于主要针对近海活动，“伊利诺伊”号在隐形设计方面采取了许多措施。除了沿袭海狼级艇降低航行噪声外，“伊利诺伊”号最大限度地减少自身的磁信号，目的是对付近海以磁信号为主要目标的探测器和磁性水雷。其次，“伊利诺伊”号着力降低潜艇的光学特征，以提高潜艇在浅水水域特别是以白沙为背景活动的隐形能力。再者，“伊利诺伊”号还千方百计降低和改变艇体外形所产生的雷达信号，当潜艇为支持特种作战部队行动而浮出水面时，可躲过敌雷达的搜索，像它的指挥塔围壳刻意内倾10°，以减少雷达反射信号，降低浮出水面时被敌雷达探测到的可能性。
改进不断
“伊利诺伊”号的攻击武器也非常重视近海作战需求，艇内可搭配鱼雷或其他武器。该艇艇艏装有四根533毫米口径多用途发射管，既可发射MK48线导鱼雷，也可发射“鱼叉”潜对舰导弹以及诸如“远程水雷侦察系统”那样的水下无人运载器。该艇还用两套大直径“弗吉尼亚有效载荷发射管”替代原有的12具独立的垂直发射管，每具大直径发射管可装填6枚“战斧”巡航导弹。两个大型发射装置不仅能承载“战斧”导弹，也可以布设水雷或发射各式无人传感器，这项设计采用的是俄亥俄级改装项目的技术成果，也将成为未来美海军核潜艇发射装置的通用设计。
需要指出的是，“伊利诺伊”号装备两根非穿透式外置BVS-1型光电桅杆，取代使用近100年的光学潜望镜，这是对传统潜艇的一个重要突破。由于换掉了常规潜望镜，指控中心采用通用工作站模式，取消了按钮和刻度盘，指控舱显得宽敞、布置更加灵活。与电子支援和无线通信独处一隅形成对比，声呐工作人员可在指控舱内并排工作、不再需要耳朵静听敌潜艇的声音，而是在电脑画面上对声音进行分析。操舵人员也从原来操纵水平、垂直舵和潜深的“五人体制”减为“正副驾驶、轮换驾驶”的三人体制。
