Технический проект, разработанный под руководством главного конструктора Б.А. Леонтьева, был утвержден совместным решением МСП и ВМФ в апреле 1956 г. Водоизмещение увеличилось почти на 300 т, достигнув 1418 т, длина — на 9 м, составив 85 м. Осадка возросла до 5,8 м, запас плавучести — с 27 до 30%. Большие объемы прочного корпуса позволили в 1,5 раза увеличить автономность, доведя ее до 45 суток даже с учетом увеличения экипажа до 58 человек.

В целом сформировалась относительно современная по тому времени дизель-электрическая подводная лодка-ракетоносец. Значительное отставание по максимальной скорости от вновь строившихся ПЛ пр. 651 не имело решающего значения: противолодочные корабли НАТО были намного быстрее любой из дизель-электрических подлодок, а задача активных действий против надводных целей перед лодкой-носителем стратегических ракет не ставилась.

Казалось, что перед пр. 665 открывались блестящие перспективы. В соответствии с постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 3 декабря 1958 г. об утверждении плана проектирования и программы строительства военных кораблей в 1959—1965 гг. предусматривалось переоборудование 37 ранее построенных лодок пр. 613 в ракетоносцы пр. 665, при этом 16 лодок должен был перестроить ленинградский завод №189 («Балтийский»), 14 — завод №112 («Красное Сормово») и 7 — владивостокский завод №202 («Дальзавод»).