Р-21 представляла собой одноступенчатую баллистическую ракету с отделяющейся головной частью. Баки окислителя и горючего являлись силовым корпусом ракеты. Они разделялись межбаковым пространством и совместно с приборным и хвостовым отсеком представляли собой цельносварную конструкцию из листовой нержавеющей стали.

Р-21 имела следующие параметры траектории при стрельбе на максимальную дальность:
скорость в момент выключения двигателя — 3439 м/с;
высота конца активного участка — 68,9 км;
время полета на активном участке — 93 с;
полное время полета до цели — 384,6 с;
скорость встречи головной части с целью — 342 м/с.

Кроме дизельных лодок пр. 629Б комплекс Д-4 получили 8 атомных лодок пр. 658, из которых последние семь сразу строились по пр. 658М под комплекс Д-4 с тремя пусковыми установками СМ-87-1.

Разработка проекта 658 велась с августа 1956 года. Приемный акт на головную ПЛ этого проекта К-19 был подписан 12 ноября 1960 года. К-19 стала единственной лодкой, достроенной по пр. 658 под Д-2, остальные лодки К-33, К-55, К-10, К-16, К-145, К-149 и К-178 достраивались по пр. 658М. Они вступили в строй с июля 1961 г. по июня 1964 г.

ПЛ пр. 658 для пуска ракет Р-13 должна была всплывать в надводное положение. Время пуска трех ракет составляло 12 минут, не считая времени всплытия и погружения.

При установке ракет Р-21 в лодках пр. 658М потребовалось создать комплекс средств, удерживающих ПЛ в заданном диапазоне глубин («система одержания»). Без принятия мер по одержанию ПЛ при старте одной ракеты подвсплывала на 16 м, что не позволяло в короткий срок привести ее на исходную глубину для старта следующей ракеты.

Применение подводного старта вызвало существенные переделки и в самой лодке. Перед стартом ракеты предусматривалось заполнение водой кольцевого зазора, образующегося между габаритами шахты и помещенной внутри ее ракетой. Для этого потребовалось размещение на лодке специальных балластных цистерн с системой перекачки. Для ликвидации разбаланса плавучести ПЛ после выхода ракеты из шахты была предусмотрена возможность приема около 15 м³ воды в уравнительную цистерну. Кроме того, при переходе с ракет Р-13 на Р-21 пришлось устанавливать новые пусковые установки.

При предстартовой подготовке ракет Р-21 осуществлялся предварительный наддув баков окислителя с горючим до давления 2,4 атм. Затем шахта заполнялась водой и продолжался наддув баков до давления 8,5 атм. В процессе заполнения шахты водой заданный уровень воды в воздушном колоколе поддерживался автоматически с помощью датчиков предельных уровней и электроавтоматики системы предстартового оборудования. После заполнения шахты водой производилось выравнивание давления в ней с забортным и открывалась крышка шахты.

Пуск ракет Р-21 производился с глубины 40—60 метров, при скорости лодки — 2—4 узла и волнении моря до 5 баллов.

С момента принятия на вооружение и до снятия с вооружения комплекса Д-4 (1963-1982) в процессе эксплуатации всего осуществили 228 пусков ракет Р-21. Из них 193 пуска были сочтены успешными, 19 пусков оказались неудачными из-за отказов системы ракеты, 11 пусков были неудачными из-за ошибок расчетов и отказов обеспечивающих систем, причины 5 неудачных пусков установить не удалось.

Ракетный подводный крейсер стратегического назначения пр. 667Б