В 1960 году ленинградский Адмиралтейский завод приступил к подготовке строительства серии новых торпедных атомоходов. Акт о приемке в состав ВМФ СССР головной лодки 671-го проекта — К-38 (заводской номер «600») — председатель правительственной комиссии Герой Советского Союза Г.И. Щедрин подписал 5 ноября 1967 г. В дальнейшем в Ленинграде было построено еще 14 АПЛ данного типа. Три корабля (К-314, К-454 и К-469) были достроены по измененному проекту. Отличие заключалось в оснащении их, помимо традиционных торпед, и ракето-торпедным комплексом «Вьюга», принятым на вооружение 4 августа 1969 г. Ракето-торпеда обеспечивала поражение подводных, надводных и береговых целей ядерным зарядом на дальностях 10-40 км. Ее пуск выполнялся из стандартных 533-мм торпедных аппаратов с глубины до 50-60 м.

Двухкорпусная подводная лодка с характерным «лимузинным» ограждением выдвижных устройств имела прочный корпус, выполненный из высокопрочной стали АК-29, толщина листов которой достигала 35 мм. Внутренние плоские переборки были рассчитаны на давление 10 кгс/см². Корпус корабля делился на семь водонепроницаемых отсеков:
1-й — торпедный, аккумуляторный и жилой;
2-й — центральный пост, провизионные и вспомогательные механизмы;
3-й — реакторный;
4-й — турбинный (в нем же размещены и автономные турбоагрегаты);
5-й — электротехнический и вспомогательных механизмов (в нем же находился и санблок);
6-й — жилой и дизель-генераторный;
7-й — рулевой (здесь же расположены гребные электродвигатели и камбуз).

Конструкция легкого корпуса, носовая часть надстройки, вертикальное и горизонтальное оперение были выполнены из маломагнитной стали. Ограждение выдвижных устройств рубки, а также средняя и кормовая части надстройки изготавливались из алюминиевого сплава, а крупногабаритный обтекатель антенны гидроакустического комплекса и рули — из титановых сплавов. Для лодки проекта 671 (а также ее дальнейших модификаций) была характерна тщательная отделка обводов наружного корпуса.

Балластные цистерны имели кингстонную (а не шпигатную, как на всех предыдущих советских ПЛ послевоенных проектов) конструкцию.

Корабль получил систему кондиционирования и очистки воздуха, люминесцентное освещение, а также более удобную (по сравнению с атомоходами 1-го поколения) планировку кают и кубриков, современное санитарно-бытовое оборудование.

Главная энергетическая установка АПЛ 671-го проекта (имевшая номинальную мощность 31.000 л.с.) включала две паропроизводящих установки ОК-300 (водоводяной реактор ВМ-4 тепловой мощностью 72 мВт и четыре парогенератора ПГ-4Т), автономные для каждого борта. Перезарядка активной зоны реактора должна была производиться с циклом восемь лет.

По сравнению с реакторами 1-го поколения, компоновка ядерных энергетических установок второго поколения была существенно изменена. Реактор стал более компактным и «плотным». Была реализована схема «труба в трубе», а также произведено «навешивание» насосов первого контура на парогенераторы. Сократилось количество трубопроводов большого диаметра, соединяющих основные элементы установки (фильтр 1-го контура, компенсаторы объема и т.п.). Практически все трубопроводы первого контура (малого и большого диаметра) разместили в необитаемых помещениях и закрыли биологической защитой. Существенно изменились системы контрольно-измерительных приборов и автоматики ядерной силовой установки. Возросла доля дистанционно-управляемой арматуры (клапанов, задвижек, заслонок и т. п.).

Паротурбинная установка состояла из главного турбозубчатого агрегата ГТЗА-615 и двух автономных турбогенераторов ОК-2 (последние обеспечивали выработку переменного тока 380 В, 50 Гц и включали турбину и генератор мощностью 2000 кВт).

В качестве резервного средства движения были применены два электродвигателя постоянного тока ПГ-137 (2 х 275 л.с.), каждый из которых приводил во вращение свой двухлопастный гребной винт малого диаметра. Имелись две аккумуляторные батареи, а также два дизель-генератора (200 кВт, 400 В, 50 Гц). Все основные механизмы и устройства имели автоматизированное и дистанционное управление.

При создании АПЛ проекта 671 определенное (хотя и недостаточное) внимание уделялось и вопросам снижения шумности. В частности, было применено гидроакустическое резиновое покрытие легкого корпуса, сократилось количество шпигатов. В результате акустическая заметность лодки по сравнению с атомоходами 1-го поколения уменьшилась приблизительно в пять раз.

Подводная лодка была оснащена всеширотным навигационным комплексом «Сигма». Имелась телевизионная система наблюдения за общей и ледовой обстановкой МТ-70, способная, при благоприятных условиях, выдавать видовую информацию на глубине до 50 м.

Однако основным информационным средством корабля являлся гидроакустический комплекс МГК-300 «Рубин», разработанный ЦНИИ «Морфизприбор» под руководством главного конструктора Н.Н. Свиридова и имеющий максимальную дальность обнаружения целей порядка 50-60 км. Он включал носовой гидроакустический излучатель низкой частоты, высокочастотную антенну ГАС миноискания МГ-509 «Радиан» в передней части ограждения выдвижных устройств рубки, станции звукоподводной связи, гидроакустической сигнализации и ряд других элементов. «Рубин» обеспечивал круговой обзор, независимое автоматическое сопровождение и определение курсовых углов целей, дальнометрирование методом эхолокации, а также обнаружение активных гидроакустических средств противника.

После 1976 года, в ходе модернизации, на большинстве лодок 671-го проекта ГАК «Рубин» был заменен на более совершенный комплекс «Рубикон» с инфразвуковым излучателем, имеющий максимальную дальность обнаружения более 200 км. На ряде кораблей МГ-509 был также заменен на более современный МГ-519.

Выдвижные устройства включали перископ ПЗНС-10, антенну системы радиоопознавания МРП-10 с ответчиком, радиолокационный комплекс «Альбатрос», радиосвязные антенны ВАН-М или «Анис» и «Ива», пеленгатор «Завеса», а также устройство РКП (работа компрессора под водой). Имелись гнезда для ряда съемных антенн, устанавливаемых при решении конкретных задач.

На борту подводной лодки был установлен навигационный комплекс, обеспечивающий курсоуказание и счисление пути.