Модернизация комплекса С-75 — создание ЗРК С-75М — была задана постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 4 июня 1958 г. и последующим постановлением СМ от 16 сентября 1959 г. В качестве основных направлений совершенствования комплекса и ракет предусматривались расширение зоны поражения, повышение помехозащищенности и точности наведения. Рассматривалось создание комплекса управляемого зенитного ракетного оружия с ракетами двух типов. Предписывалось представить на совместные испытания в III квартале 1959 г. ракету В-755 (20Д), оснащенную твердотопливным стартовым ускорителем и ЖРД на маршевой ступени, а во II квартале 1960 г. — твердотопливную двухступенчатую ракету В-757 (17Д). Доработка станции наведения РСН-75 для обеспечения возможности использования новых ракет была возложена на ОКБ-304.
Главным конструктором новой системы был назначен А.А. Расплетин, главным конструктором СНР — Л.И. Горшков. Работы по ракетам задавались ОКБ-2 главного конструктора П.Д. Грушина.
Ракета В-755 задумывалась как основательная модернизация В-750ВН с заменой практически всех основных систем и агрегатов. Предусматривалось применение помехоустойчивого радиовзрывателя, приспособленных к новой станции наведения ракет блоков бортовой аппаратуры радиоуправления и радиовизирования, нового автопилота, усовершенствованного двухкомпонентного ЖРД с регулируемой тягой и более мощного стартового ускорителя. Последнее определило необходимость создания новой пусковой установки, способной выдержать более мощное воздействие струи продуктов сгорания нового стартового двигателя.
Разработка ракеты В-757 по существу являлась созданием принципиально нового изделия и ставила своей целью исключение из ракеты довольно опасного, как показал первый опыт эксплуатации, жидкого топлива. Уровень развития твердотопливной техники, освоенной отечественной промышленностью к концу 1950-х гг., практически исключал возможность достижения на ракете требуемых характеристик на базе традиционных конструктивно-схемных решений. Поэтому ОКБ-2 приняло схему с использованием на маршевой ступени ракеты В-757 прямоточного двигателя на твердом топливе. Как показал ход дальнейших работ, создание работоспособного прямоточного двигателя являлось сложнейшей задачей, требующей многолетней стендовой отработки и доводки ракеты в процессе летных испытаний. В результате, работы по В-757 безнадежно отстали от процесса создания ракеты В-755 и, в итоге, В-757 превратилась в экспериментальную ракету, уступив с начала следующего десятилетия место принципиально другой конструкции — ракете В-758, также не доведенной до принятия на вооружения.
Для эксплуатации в северных районах в качестве тягача ТЗМ использовался гусеничный АТС-59
Однако и разработка комплекса с ракетой В-755, создававшейся на базе уже отработанных технических решений, также проходила далеко не гладко. К плановому сроку передачи средств комплекса на совместные испытания, в III кв. 1959 г., еще не было закончено изготовление ни одной кабины ПВ, в стадии изготовления находились станция наведения ракет и ее элементы. Не были своевременно начаты автономные испытания ракеты В-755.
В какой-то мере задержки с разработкой С-75М определялись передачей работ по совершенствованию средств системы С-75 от головного разработчика КБ-1 в ОКБ-304, созданному на серийном заводе №304, выпускавшем станции наведения ракет.
Фактически только в декабре 1959 г. на полигон были поставлены опытные образцы станции наведения ракет. Заводские испытания продолжались до середины 1960 г., но и к этому времени не удалось завершить заводские испытания опытного образца магнетрона для передатчика. Было изготовлено 38 ЗУР В-755 вместо запланированных 75 ракет. На полигон было поставлено только две транспортно-заряжающие машины ПР-11Б.
Летные испытания начались на полигоне Капустин Яр и продолжены в Казахстане на полигоне под Сары-Шаганом. Выявилась низкая надежность радиовзрывателя и боевой части. Отмечалось, что в ряде пусков из-за применения некачественного твердого топлива в составе заряда стартового двигателя при его запуске часть заряда «выбивалась» и на газоотражателе пусковой установки образовывались выбоины. Также не удавалось обеспечить полную выработку топлива ЖРД маршевой ступени. При испытаниях возникали проблемы и с обмерзанием трубки приемника воздушного давления, отмечалась нестабильность работы автопилота. По ряду причин разработчики смогли гарантировать для ракеты В-755 допустимый срок хранения на пусковой установке всего в один год, хотя ранее для ракеты В-750 был принят срок 1,5 года.
В конце 1960 г. сохранялось отставание в отработке боевой части, автопилота и аппаратуры радиоуправления. Ход работ сдерживался и несвоевременной поставкой ракет: для завершения совместных испытаний комплекса С-75М не было поставлено вовремя 18 ракет В-755.
Зимой 1961 г. ВПК было принято решение о проведении в апреле, сверх ранее намеченной программы, контрольных испытаний СНР и ракет при стрельбе по 4—5 самолетам-мишеням МиГ-17. Также было решено завершить к этому времени работы по увеличению дальности полета ракеты на малых высотах.
Несмотря на встретившиеся трудности, совместные испытания были успешно завершены.
Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 20 апреля 1961 г. и приказом МО СССР комплекс С-75М с ракетой В-755 был принят на вооружение Войск ПВО страны, а в 1962 г. поступил также и в части ПВО Сухопутных войск. Комплекс обеспечивал поражение целей, летящих со скоростью до 2300 км/ч в диапазоне высот от 3 до 30 км на дальности от 12 до 40 км. Дальность стрельбы по дрейфующим аэростатам была доведена до 43 км.
Новый состав аппаратуры станции наведения ракет РСН-75В позволял вести обстрел целей в условиях применения противником пассивных и активных помех.
Разработка ракеты В-755 (20Д) осуществлялась филиалом ОКБ-2 (МКБ «Факел») на заводе №41 под руководством главного конструктора В.В. Коляскина на базе конструкции ракеты 13Д (В-750ВН).
На ракете В-755 по сравнению с ракетой В-750ВН были применены новые аппаратура радиоуправления и радиовизирования, автопилот, радиовзрыватель, боевая часть, жидкостный ракетный двигатель и стартовый ускоритель.