Разработка технического проекта 627А (корректированного технического пр. 627) была осуществлена в период с июля 1955 г. по март 1956 г. Одновременно СКВ-143 выпускало рабочие чертежи, которые поступали на ССЗ-402. Характерно то, что корпусные конструкции головного корабля серии – К-5 (зав. №260) – начали изготавливать задолго до завершения разработки технического проекта по чертежам пр. 627. Благодаря этому лодку удалось заложить 13 августа 1956 г. и уже 1 сентября 1958 г. спустить на воду. 10 октября 1958 г. начались швартовные испытания корабля, т.е. примерно через четыре месяца после завершения швартовных испытаний К-3. Понятно, что в таких условиях полностью учесть опыт проектирования, постройки и опытной эксплуатации первой АПЛ при создании ее серийных аналогов просто не представлялось возможным.

В результате, во время постройки кораблей пр. 627А, в конструкции корпуса, оборудования, систем и устройств, пришлось вносить изменения, направленные на повышение их технической надежности и улучшение боевых качеств. Объем необходимых работ, как правило, определялся совместными решениями МСП и ВМФ или предложениями личного состава. Так, например, уже в процессе постройки и швартовных испытаний К-5 на ней были смонтированы не предусмотренные проектом: система продувания ЦГБ воздухом низкого давления; аварийная система рулевой гидравлики; ионообменные фильтры и резервный питательный насос, а для пополнения запасов системы ВВД на перископной глубине – устройство, обеспечивавшее работу компрессоров под водой (РКП).

На четвертом корабле серий – К-14 (зав. №281) – для обеспечения наиболее благоприятных условий для работы ГАС «Аркти- ка-М», ее основную антенну перенесли из ограждения выдвижных и прочной рубки в килевую часть носовой оконечности легкого корпуса. Для этого был сформирован специальный обтекатель (так называемый «наплыв»), выступавший за круговые обводы и основную плоскость. На седьмом корабле серии – К-181 (зав. №287) – коренным образом изменили способ погрузки торпед на лодку и заряжания ими ТА. Если раньше боезапас грузился через верхние ТА (о чем уже говорилось) с использованием в отсеке ручных талей, то теперь эта операция осуществлялась при помощи специального устройства (с гидроприводом всех основных механизмов) погрузки-выгрузки через наклонный люк. Для заряжания ТА был разработан комплект механизмов, также имевших гидроприводы, упрощавших перемещение торпед на стеллажах и ввод (вывод) их в трубы аппаратов. Остальные ПЛА пр. 62 7А либо достраивали со всеми этими нововведениями, либо соответствующим образом модернизировали во время проведения средних ремонтов.

В соответствии с постановлением Правительства от 25 августа 1956 г. заводу №402 в Молотовске заказали 12 кораблей пр. 627А. Все они были построены в период с августа 1956 г. (даты закладки К-5) по июль 1964 г. (дата вступления в строй К-50) в том же цехе (№42) где строилась К-3 и по такой же самой технологии. Организация работ была такова, что в отдельные годы (в 1959 г. и в 1963 г.) ВМФ передавали сразу по три корабля. Для своего времени это были невиданные темпы, принимая во внимание крайне сложную технологию постройки АПЛ. Достаточно сказать, что только в проектировании К-3 приняли участие 20 КБ и 35 НИИ, а субподрядчиками ССЗ-402 выступили свыше 80 предприятий-поставщиков оборудования и механизмов.

Такая спешка, в конечном итоге, привела к тиражированию ряда конструктивных недостатков на всех кораблях серии. Только за время трех выходов в море К-5, осуществлявшихся в рамках совместных ходовых испытаний (с 11 октября по 28 ноября 1959 г.) общей продолжительностью 23 суток, на ней вышли из строя опреснитель, холодильная машина и один из главных ЦНПК. Одновременно с ходовыми испытаниями на этом корабле в полном объеме проводились испытания оружия и радиотехнических средств (откуда собственно и их название – «совместные ходовые»). Их результаты также оказались не утешительными: работе ГАС «Арктика-М» создавались сильные помехи механизмами и корпусными конструкциями лодки, что делало проблематичным выдачу ею целеуказания ПУТС «Ленинград-627» на максимально возможную дальность стрельбы. Да и сами ПУТС в процессе выработки данных о параметрах движения цели постоянно давали сбой. По существу, корабль не мог использоваться по своему прямому назначению – осуществлять торпедную атаку. Все это можно было бы отнести к «детским болезням», столь свойственным новейшим системам вооружения, и на «лечение» которых требовалось время. Однако в приемном акте Государственной комиссии было указано, что головная крейсерская АПЛ К-5 пр. 627А «…обладает высокими тактико- техническими элементами, отвечает современным требованиям и способна действовать на океанских коммуникациях против боевых кораблей и транспортов противника». Исходя из этого заключения, 3 августа 1960 г. ее приняли на вооружение, а постройка остальных кораблей серии, впрочем, как и остальных АПЛ первого поколения, была продолжена прежними темпами.

Последствия дали о себе знать уже в 1962 г. во время Карибского кризиса. На тот момент в составе отечественного флота числилось шесть АПЛ пр. 627А. Формально эти корабли находились в боеготовом состоянии, но ни один из них так и не смог выйти в Атлантику для обеспечения прорыва блокады о. Куба. Справедливости ради надо отметить, что работы, направленные на обеспечение высокого качества и надежности оборудования продолжались как во время постройки, так и во время эксплуатации всех лодок серии. Диапазон этих работ был велик: от разработки новой конструкции ПГ и переноса антенны ГАС «Арктика-М» в подкильный обтекатель, до устранения отрыва пластин резинового покрытия легкого корпуса и свищей в общекорабельных системах забортной воды. Много сил было потрачено на борьбу с высокой интенсивностью шума, излучаемого в морскую среду работающими механизмами и оборудованием корабля.

Благодаря этим усилиям к началу 70-х годов прошлого столетия АПЛ пр. 627А получили возможность действовать вдали от баз на полную автономность по запасам провизии, а с учетом использования пунктов маневренного базирования – и дольше. Вместе с тем, у этих кораблей продолжали сохраняться повышенная вибрация подавляющего числа механизмов, нарушавшая их акустическую скрытность и малая продолжительность кампаний A3. Наряду с этим, у экипажей постоянно возникали проблемы, связанные с эксплуатацией НТГ и ЭЭС постоянного тока, общесудовой системы гидравлики (рабочей средой которой являлось веретенное масло), а также пожароопасных химических поглотителей системы регенерации воздуха. Последние даже привели к гибели одного из кораблей – К-8 (зав. №261).

Нельзя не сказать несколько слов о модернизации одного из кораблей пр. 627А – К-14, на котором в 1969 г. установили систему обнаружения кильватерного следа (СОКС) «Снегирь». В сентябре-октябре того же года она с успехом прошла испытания в Филиппинском море. Впоследствии эта система была усовершенствована и устанавливалась на АПЛ третьего поколения.

Как уже говорилось, еще в период предварительных проработок по первой отечественной АПЛ, в работе комплексной группы Н.А. Доллежаля наметились два направления исследований по АЭУ: с реактором на медленных (тепловых) нейтронах с водяным теплоносителем (ВВР) и с реактором на быстрых (или промежуточных) нейтронах с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ) в первом контуре. Каждая из этих установок имела свои достоинства и недостатки, но так как ВВР был использован при создании первой отечественной АЭС, то именно его и решили сделать основой энергетической установки АПЛ пр. 627. Однако работы над ЖМТ не прекращались. Его разработкой под эгидой ФЭИ АН СССР занимался коллектив конструкторов ОКБ «Гидропресс» под руководством Б.М. Шилковича (а затем В.В. Стекольникова).

Идя на такой шаг, заказчик первой отечественной АПЛ – Первое Главное Управление Совмина СССР – планировало построить два корабля с одинаковыми тактико-техническими элементами, но с различными типами энергетических установок, и после этого в процессе испытаний сравнить их. Однако работы над ЖМТ осложнялись тем, что её аналогов, даже зарубежных, в отличие от «транспортируемого» ВВР, не было.