Для проведения статических и динамических испытаний были изготовлены полунатурные отсеки СМТ60-1 и ДМТ60-2 (первый испытывался в док-камере, а второй — на морском полигоне).

В 1962 году на Северном машиностроительном предприятии началось изготовление первых шпангоутов и обечаек прочного корпуса лодки 661-го проекта. Однако первые испытания элементов корпусных конструкций из титанового сплава завершились неудачей, потребовалось проведение дополнительных работ. В результате официальная закладка подводной лодки 661 проекта была осуществлена в Северодвинске лишь 28 декабря 1963 г.

Высокая степень новизны и сложности проекта обусловили длительные сроки его реализации. Работы по созданию корабля продолжались, в общей сложности, более 11 лет. На задержке строительства сказались и низкие темпы поставки дефицитного в то время титана, в котором остро нуждались также авиастроение и ракетостроение. В результате подводная лодка, получившая тактический номер К-162, была спущена на воду лишь 21 декабря 1968 г. 13 декабря 1969 г. она вышла на заводские ходовые испытания.

В ходе испытаний при 92% мощности силовой установки на относительно мелководном полигоне (глубина акватории — 200 м, глубина хода — 100 м) была получена максимальная подводная скорость, равная 42 узлам, что значительно превысило расчетные параметры (38 узлов). Таким образом, был установлен мировой рекорд скорости для подводных лодок, ранее удерживаемый кораблями 671-го проекта (33,5 узла). Наиболее скоростные американские АПЛ развивали лишь 30 узлов. В дальнейшем, при выходе ГЭУ на полную мощность и на глубоководном полигоне, были получены еще более высокие результаты — 44,7 узла (при форсировании энергетической установки удалось кратковременно превысить 45 узлов). Это и до настоящего времени является абсолютным мировым рекордом скорости для подводных лодок.

ПЛАРК 661-го проекта имела двухкорпусную архитектуру. Прочный корпус, выполненный из титанового сплава, делился на девять отсеков:
1-й (верхний) и 2-й (нижний) отсеки, имеющие в сечении форму восьмерки, образованной двумя пересекающимися окружностями диаметром 5,9 м каждая (в них размещались торпедные аппараты с запасным боекомплектом и устройством быстрого заряжания);
3-й — жилые помещения, пищеблок, кают-компания, аккумуляторы;
4-й — ЦП, пост управления энергетикой, жилой блок;
5-й — реакторный;
6-й — турбинный;
7-й — турбогенераторный;
8-й — отсек вспомогательных механизмов (рефрижераторы, компрессорные машины, водоопреснительная установка);
9-й — рулевые приводы и трюмный пост.

Кормовая оконечность лодки была выполнена раздвоенной в виде двух осесимметричных конических обтекателей валов с расстоянием между ними порядка 5 м (в обиходе такое решение получило название «штаны»). Гидродинамическая оптимизация формы кормовой оконечности была достигнута за счет ее удлинения с малыми углами схода ватерлинии в диаметральной плоскости и применения удлиненных гребных валов с обтекателями, допускающими установку гребных винтов оптимального диаметра для заданной частоты вращения.

Энергетическая установка мощностью 80.000 л. с. включала две автономные группы (правого и левого бортов). Каждая группа объединяла атомную паропроизводящую установку В-5Р, турбозубчатый агрегат ГТЗА-618 и автономный турбогенератор переменного трехфазного тока ОК-3 мощностью 2 х 3000 кВт. Номинальная тепловая мощность двух атомных реакторов водоводяного типа составляла 2 х 177,4 МВт, а паропроизводительность ППУ при нормальной мощности реактора — 2 х 250 т пара в час.

Реакторы, разработанные для лодки 661-го проекта, имели ряд оригинальных особенностей. В частности, прокачка теплоносителя первого контура осуществлялась по схеме «труба в трубе», что обеспечивало компактность ЯЭУ при высокой тепловой напряженности. При этом реакторы работали не только на тепловых нейтронах, но и с участием реакции деления ядерного «топлива» быстрых нейтронов.

Для питания основных потребителей электрической энергии был принят переменный трехфазный ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Существенным нововведением стал отказ от использования дизель-генераторов: в качестве аварийного источника использовалась мощная аккумуляторная батарея.

На борту корабля имелся всеширотный навигационный комплекс «Сигма-661», обеспечивающий подводное и подледное плавание.

Автоматическое управление кораблем осуществлялось посредством системы управления по курсу и глубине «Шпат», системы предотвращения аварийных дифферентов и провалов «Турмалин», а также системы управления общекорабельными системами, устройствами и забортными отверстиями «Сигнал-661».

Гидроакустический комплекс МГК-300 «Рубин» обеспечивал обнаружение шумящих целей при одновременном автоматическом сопровождении двух из них с выдачей данных в системы управления ракетным и торпедным оружием. Обеспечивалось круговое обнаружение сигналов ГАС противника, работающих в активном режиме, а также их опознавание с определением пеленга и дистанции. Для обнаружения якорных мин корабль имел ГАС «Радиан-1».

Для наблюдения за воздушной и надводной обстановкой ПЛ была оснащена зенитным светосильным перископом ПЗНС-9 с оптическим вычислителем координат. Подъемное устройство позволяло поднимать перископ с глубины до 30 м при скорости до 10 узлов и волнении до 5 баллов. Имелись РЛС РЛК-101 и МТП-10, а также система определения государственной принадлежности «Нихром».

Для двухсторонней сверхбыстродействующей засекреченной радиосвязи с береговыми командными пунктами, другими кораблями и взаимодействующими с подводной лодкой самолетами имелась современная (по меркам 1960-х годов) радиосвязная аппаратура. Корабль был оснащен системой радиоразведки, обеспечивающей поиск, обнаружение и пеленгование работающих радиостанций противника.

Основное вооружение было представлено противокорабельным ракетным комплексом «Аметист» с 10 крылатыми ракетами, размещенными в наклонных контейнерах, расположенных побортно вне прочного корпуса. Максимальная дальность стрельбы составляла 70 км.

Старт ракеты выполнялся из подводного положения с глубины 30 м из предварительно затопленного заборной водой контейнера. Сразу после выхода из контейнера срабатывал стартовый двигатель, и раскрывалось крыло, а в надводном положении включался маршевый твердотопливный двигатель.

В состав ракетного комплекса входила также аппаратура предстартового контроля, приборы бортовой системы управления ракетной стрельбой, связанные с гидроакустическим комплексом, комплексом управления торпедной стрельбой, навигационным комплексом, а также стабилизатором управления курсом и глубиной.

Пусковая установка обеспечивала хранение, транспортировку, дистанционную предстартовую подготовку и старт крылатых ракет без доступа в контейнер. КР принимались на борт корабля в окончательно снаряженном для старта состоянии. Обеспечивалось их надежное хранение и запуск в течение трехмесячного пребывания в море.

Весь ракетный боекомплект мог быть выпущен в двух залпах, интервал между которыми составлял три минуты (по мнению специалистов, это являлось крупным тактическим недостатком проекта, затруднявшим эффективное применение ПЛАРК по основным целям — авианосцам).