Торпедное вооружение ПЛАРБ состояло из четырех носовых 533-мм торпедных аппаратов (боекомплект - 16 торпед СЭТ-65, 53-65К и 53-61) и двух 400-мм кормовых малогабаритных ТА (6 торпед). 400-мм аппараты, предназначенные для стрельбы противолодочными торпедами, служащими для самообороны, обеспечивали стрельбу на глубинах до 250 м, а 533-мм могли использоваться на 100-метровой глубине.

Для отрыва от противника лодка могла использовать приборы гидроакустического противодействия МГ-14, выстреливаемые из торпедных аппаратов. В 1967 г. на смену МГ-14 пришел более совершенный самоходный прибор акустических помех МГ-24, имевший массу 7 кг, глубину использования 30—40 м и время непрерывной работы 30 минут. Выстреливание МГ-24 осуществлялось через специальное устройство ВИПС. В том же 1967 году на вооружение подводных лодок поступил и дрейфующий малогабаритный комбинированный прибор МГ-34, предназначенный для использования на глубинах от 30 до 200 м и также выстреливаемый через ВИПС.

Лодки проекта 658 оснащались ракетным комплексом Д-2 с тремя баллистическими ракетами Р-13 (4К50, западное обозначение SS-N-4 Sark) с надводным стартом — первыми в мире специализированными БР, предназначенными для вооружения подводных лодок. ТТЗ на разработку комплекса было утверждено 11 января 1956 г. Первоначально работы велись НИИ-88 под руководством С.П. Королева, в дальнейшем тема была передана в СКБ-385, возглавляемое В.П. Макеевым.

Одноступенчатая ракета со стартовой массой 13.700 кг несла отделяемую ГЧ, снаряженную мощным термоядерным зарядом. Дальность пуста составляла 650 км, круговое вероятное отклонение (КВО) равнялось 4 км, что обеспечивало поражение лишь площадных целей (в первую очередь - крупных городов, находящихся на побережье противника, а также военно-морских баз).

Двигатель ракеты работал на «тонке» — горючем ТГ-02 (смесь ксилидина и триэтиламина) и окислителе АК-27И (раствор четырехокиси азота в концентрированной азотной кислоте). Так как использованная пара компонентов топлива, самовоспламеняющаяся при соединении, являлась источником повышенной пожарной опасности, было решено хранить в шахте ракету, заправленную только окислителем. Горючее размещалось в специальных емкостях (отдельно для каждой из трех ракет) вне прочного корпуса подводной лодки и подавалось на ракету в ходе предстартовой подготовки.

Характеристика ПЛАРБ проекта 658

Две первые подводные лодки проекта 658 вступили в состав Северного флота и в 1960-1961 гг. были направлены на базу Западная Лица, где вместе с торпедными АПЛ проекта 627А образовали бригаду. В январе 1962 г. на основе этой бригады была развернута 1-я флотилия подводных лодок, состоящая из двух дивизий — 3-й (лодки пр.627А) и 31-й (ПЛАРБ 658-го проекта). В 1964 году дивизия атомных ракетоносцев была переведена в Гаджиево (губа Сайда, база Ягельная) в состав 12-й эскадры, впоследствии преобразованной в 3-ю флотилию атомных подводных лодок.

Появление в составе советского флота первых атомных ракетоносцев, разумеется, не осталось незамеченным для американской военно-морской разведки. Вскоре новым кораблям была присвоена кодовая «кличка» НАТО — Hotel.

В 1963 и 1968 гг. лодки К-178 и К-55 были переведены на ТОФ, где несли боевую службу в составе 45-й дивизии атомных подводных лодок, базирующейся на Камчатке (к 1970 году их модернизировали по проекту 658М).

Служба первого отечественного ракетного атомохода — К-19 — началась в конце 1960 года. 4 июля 1961 г. во время учений «Полярный круг», когда подводный крейсер под командованием капитана 2-го ранга Н.В.Затеева следовал в заданный район Северной Атлантики, где он должен был произвести ракетный пуск, всплыв из-под арктического льда, произошла авария реактора левого борта — заклинились главный и вспомогательный циркуляционные насосы. В течение предельно короткого срока — за два часа — экипажу удалось смонтировать нештатную систему аварийного охлаждения реактора и ликвидировать угрозу его взрыва. Однако в борьбе за жизнь корабля получили тяжелые дозы облучения и погибли 14 членов экипажа. Подошедшим дизель-электрическим подводным лодкам и надводным кораблям удалось эвакуировать людей и отбуксировать атомоход в Западную Лицу. В ходе ремонта, проведенного в 1962—1964 гг., у лодки были заменены оба атомных реактора. Старые реакторы с невыгруженным ядерным топливом были затоплены в бухте Абросимова (Новая Земля). Сегодня такая операция выглядит кощунственной, однако в 60-е годы, в разгар ядерного противостояния между СССР и США, обе противоборствующие стороны не придавали особого значения подобным вещам, исходя, в первую очередь, из соображений технической целесообразности.

Трагедия К-19 послужила хорошим уроком для создателей ядерных энергетических установок: на всех действующих и проектируемых реакторах, аналогичных установленным на К-19, были смонтированы штатные системы аварийной водяной проливки.

После аварии 1961 г. ПЛАРБ К-19 получила у моряков зловещее прозвище «Хиросима» и репутацию «несчастливого» корабля, которую в дальнейшем весьма активно оправдывала. 15 ноября 1969 г. К-19 столкнулась в Баренцевом море (на траверзе мыса Териберский) с американской АПЛ SSN-615 «Гэтоу» (тип «Трешер»), пытавшейся осуществлять скрытное слежение за советским атомоходом. Оба корабля получили повреждения. 24 февраля 1972 г. северо-восточнее Ньюфаундленда на борту «Хиросимы» вспыхнул пожар, унесший жизни 28 человек. Очередной ремонт «невезучей» лодки было решено превратить в эксперимент по определению мобилизационных возможностей судоремонтной промышленности: СРЗ «Звездочка» (г. Северодвинск) удалось завершить работы менее чем за пять месяцев. Отремонтированную К-19 принимал прежний экипаж, недавно переживший катастрофу и для перехода в Гаджиево «разбавленный» моряками с других однотипных кораблей.