Поскольку при этом не ставилась задача создания принципиально новой зенитной ракетной системы, модернизация комплекса в целом была поручена конструкторам завода № 304 при сохранении общего руководства за КБ-1. Состав аппаратуры станции наведения ракет был расширен и доработан применительно к ракете В-601 П. В усовершенствованном варианте ЗРК вводилась новая четырехбалочная пусковая установка 5П73, обеспечивающая использование ЗУР В-600П и В-601П. Были созданы модернизированные варианты транспортно-заряжающих машин ПР-14М, ПР-14МА на шасси автомобиля ЗиЛ-131.

Основными направлениями работы по ЗУР стали разработка нового радиовзрывателя 5Е18 и маршевого двигателя на принципиально новом высокоимпульсном смесевом топливе повышенной плотности, что должно было поднять ее энергетические показатели, обеспечив расширение зоны поражения комплекса при сохранении габаритов ЗУР.

Постановлением от 29 июня 1962 г. №660-270 было задано увеличение максимальной высоты действия комплекса до 14 км, дальности - до 20 км, а плановый срок окончания испытаний усовершенствованной ракеты устанавливался на ноябрь 1963 г.

В ходе заводских испытаний В-601П, проводившихся с 15 августа по 28 декабря 1962 г., выполнили 28 пусков, было сбиты 2 мишени МиГ-17. В конце 1962 г. начались совместные испытания, ход которых несколько задержался из-за ненадежности маршевого двигателя при низких температурах. Еще до завершения совместных испытаний на заводе №32 началась подготовка к выпуску ракет В-601П. Однако и в 1964 г. при испытаниях еще наблюдались неудачные пуски ракет по причине отказов маршевого двигателя и боевой части.

Постановлением СМ СССР №479-199 от 29 мая 1964 г. ракета 5В27 (В-601П) была принята на вооружение. При этом устанавливалось, что новой ракетой поражались цели со скоростями до 1500...2000 км/час на дальности до 17 км в диапазоне высот 200... 14000 м. При постановке пассивных помех максимальная высота поражения снижалась до 8000 м, дальность - до 13,2...13,6 км. Маловысотные (100...200 м) цели поражались на дальности до 10 км. Дальность поражения околозвуковых самолетов достигала 22 км.

Основными отличиями новой ЗУР от ранее созданной В-600П стал новый маршевый двигатель с вкладным зарядом из смесевого топлива 301-К массой 151 кг, взрыватель 5Е18, предохранительно-исполнительный механизм 5Б79 и боевая часть 5Б18 массой 72 кг, при подрыве обеспечивающий образование ~4500 осколков массой по 4,72...4,79 г. Внешне ракеты В-601П легко опознавались по 2 аэродинамическим поверхностям, установленным на переходном соединительном отсеке за верхней правой и нижней левой консолями, обеспечивавшим уменьшение дальности полета ускорителя после его отделения.

Транспортно-заряжающая машина ПР-14М	Локатор П-15

После разделения ступеней эти поверхности разворачивались, что приводило к интенсивному вращению и торможению ускорителя с отрывом всех или нескольких консолей стабилизатора и его беспорядочному падению.

Время работы стартового ускорителя составляло 2...4 с, маршевого двигателя - до 20 с. Для увеличения дальности ЗУР наводилась и на пассивном участке траектории, время самоликвидации увеличили до 49 с. Ракета осуществляла маневр с перегрузкой до 6 единиц. Температурный диапазон эксплуатации составлял от - 40° до +50°.

Одновременно с принятием на вооружение ракеты В-601П Правительство задало расширение боевых возможностей ЗРК, в т.ч. по обеспечению обстрела целей со скоростями до 2500 км/час, стрельбы по околозвуковым целям на высотах до 18 км, увеличению вероятности поражения целей и повышению помехозащищенности. Необходимые мероприятия реализовали быстро, но официально характеристики откорректировали спустя 3 года.

Были созданы следующие модификации ракеты:
- 5В27Г - герметичная;
- 5В27ГП - герметичная, с приближенной до 2,7 км ближней границей зоны поражения;
- 5В27ГПС - герметичная, с приближенной ближней границей зоны поражения, с селектирующим блоком, уменьшавшим вероятность срабатывания радиовзрывателя по отражениям от местных предметов при стрельбе по низколетящим целям;
- 5В27ГПУ - ракета 5В27ГП с ускоренной предстартовой подготовкой, что достигалось за счет подачи повышенного напряжения на бортовую аппаратуру от наземного источника питания в режиме предстартового прогрева аппаратуры (соответствующую доработку прошла и аппаратура предстартовой подготовки в кабине УНК).

Для обучения и проведения тренировок личного состава выпускались габаритно-весовые макеты ракет, учебно-действующие и разрезные макеты ракет.

Ракеты В-601 всех модификаций выпускались кировским заводом №32. Предполагалось организовать производство ракет и на ленинградском заводе №272, но это предприятие было переключено на выпуск ракет для комплекса С-200.

Перевозимая четырехбалочная пусковая установка 5П73 (СМ-106) была спроектирована в КБСМ под руководством главного конструктора Б.С. Коробова. Пусковая установка без газоотражателей и ходовой части транспортировалась автомобилем ЯАЗ-214. При стрельбе по маловысотным целям минимальный угол старта ракеты составлял 9°. Для предотвращения эрозии грунта при пусках ракет вокруг ПУ настилалось специальное резинометаллическое многосекционное круговое покрытие. Заряжание пусковой установки осуществлялось последовательно двумя транспортно-заряжающими машинами.

Для обеспечения электропитания от промышленной сети использовалась передвижная трансформаторная подстанция, смонтированная в кузове двухосного автомобильного прицепа. Приданные дивизионам С-125 станции разведки и целеуказания П-12НМ (П-18) и П-15 комплектовались собственными автономными источниками электропитания АД-10-Т/230М, АБ-8-О/230М и АБ-4-Т/230М.

Определение государственной принадлежности летательных аппаратов производилось придаваемыми дивизиону наземными радиолокационными запросчиками (НРЗ) «Пароль-3П» (75Е6) или «Пароль-4П» (1Л22).

Комплекс С-125М в целом был принят на вооружение 27 сентября 1970 года. Его создание было отмечено Государственной премией.

Пусковая установка 5П73