Australiens försvarsminister Peter Dutton skrev under måndagen tillsammans med amerikanska och brittiska diplomater under nyckelavtalet vid en ceremoni i Australiens huvudstad Canberra.
Under säkerhetspakten, som kallas Aukus, kommer Australien att skaffa åtta högteknologiska atomdrivna ubåtar som ska kunna smyga runt i haven på långdistansuppdrag.
Avtalet som undertecknas innebär att de tre länderna utbyter känslig teknik om fartygsbaserad kärnkraftsdrivning.
Överenskommelsen mellan Australien, Storbritannien och USA har irriterat Kina, som beskriver den som extremt oansvarig, liksom Frankrike, som Australien hade långt gångna planer på att köpa konventionella attackubåtar av, ett kontrakt som skrotades i och med den nya uppgörelsen.