Предэскизные проработки, выполненные обеими комплексными группами, позволили приступить к следующей стадии проектирования первой отечественной АПЛ. С этой целью, в соответствии с приказом Министра судостроительной промышленности от 18 февраля 1953 г. было реорганизовано ленинградское СКВ-143, занимавшееся проектированием скоростных ПЛ с ЭУ новых типов (таких, например, как пр. 617, оснащенный ПГТУ). С целью реорганизации, в течение пяти суток вся тематика и большая часть сотрудников СКБ-143 передавались ЦКБ-18 (впоследствии ЛПМБ «Рубин»). Причем начальник и главный конструктор СКБ-143 А.А. Антипин также переводился в ЦКБ-18 на должность главного конструктора ПЛ пр. 617. Начальником реорганизованного бюро стал В.Н. Перегудов. В нем сформировали 10 отделов, каждый из которых занимался разработкой какой-либо из корабельных систем: второй, например, – вооружением, а пятый – энергетической установкой.

После успешного завершения государственных испытаний опытной ПЛ «М-254» пр.615, одновременно с утверждением ее Приемного акта СМ СCCP своим постановлением от 31 июля 1953 года утвердил основные тактико-технические элементы серийных ПЛ пр.615 (пр.А615). В соответствии с принятыми решениями в проект А615 были внесены следующие основные изменения по сравнению с пр.615:
1. Увеличено время хранения жидкого кислорода путем замены двух кислородных цистерн одной (уменьшалась поверхность хранилища кислорода). При этом новая цистерна была сделана эллиптической формы вместо круговой, так как иначе она не размещалась в отведенной для нее выгородке. Начиная с 8-го корабля серии, дополнительно был принят запас газообразного кислорода в количестве 1200 кг. Баллоны с газообразным кислородом давлением 200 кгс/см размещались в киле ПЛ. Перечисленные мероприятия обеспечивали спецификационную дальность плавания под водой на протяжении времени полной автономности.

Работы по проекту 665 были начаты согласно Постановлению СМ от 25.08.1955 г. Технический проект №665 переделки ПЛ пр.613 в ракетные лодки был выполнен в ЦКБ-112, главным конструктором проекта был Б.В.Леонтьев, главным наблюдателем от ВМФ - М.С. Фадеев. Технический проект 665 был утвержден в январе 1959 года. Огневая мощь ПЛ пр.665 увеличилась в два раза по сравнению с лодкой пр.644 за счет установки четырех крылатых ракет комплекса П-5. вместо двух на проекте 644.

Эскизный проект 651 большой дизельной подводной лодки с ракетным вооружением и серебряно-цинковой аккумуляторной батареей был разработан на основании Постановлений СМ № 1149-592 и № 1190-610 от 17 и 25 августа 1956 года и тактико-технического задания ВМФ, утвержденного 28.01.1957 года. ПЛ пр.651 должно быть вооружена крылатыми ракетами П-5 для стрельбы по площадям и противокорабельными самонаводящимися ракетами П-6. В мае 1958 года разработанный по этому заданию эскизный проект был утвержден и на его основе разработан технический проект, который был утвержден в январе 1959 года.

Технический проект 644 переоборудования ПЛ пр.613 для вооружения их крылатыми ракетами комплекса П-5 был разработан ЦКБ-18 на основании Постановления СМ от 25 августа 1955 рода. Проект был закончен в декабре 1956 года и утвержден совместным решение ВМФ и МСП в апреле 1957 года. При утверждении проекта предлагалось одновременно с его корректировкой выполнить ряд дополнительных проработок. Корректированный технический проект 644 с заданными проработками был рассмотрен в июле 1957 года и утвержден.

В связи с увеличением скорости и радиуса действия самолетов встал вопрос об увеличении дальности обнаружения летящих самолетов противника в морских секторах противовоздушной обороны страны. Эта задача могла решаться путем размещения мощных радиолокационных станций на кораблях, несущих дозорную службу на определенном удалении от нашего побережья. При этом ПЛ были предпочтительнее надводных кораблей, так как они могут скрытно занимать позицию, уклоняться от обнаружения самолетами, погружаться под воду и обладают большей автономностью, чем надводные корабли.