Накопленный опыт постройки первых отечественных многоцелевых атомных лодок, размещение и эксплуатация баллистических ракет на дизель-электрических лодках позволили приступить к постройке атомных лодок с баллистическими ракетами проекта 658. Проектирование началось в августе 1956 года в ЦКБ-18 под руководством С.Н. Ковалева. За основу был взят проект 627 атомной многоцелевой торпедной лодки.
Головная лодка, заложенная в Северодвинске 17 октября 1958 года, была передана флоту 12 ноября 1960 года. Ее прочный корпус состоял из десяти отсеков. На головной лодке устанавливался ракетный комплекс Д-2 с тремя шахтными пусковыми установками для ракет Р-13. Кроме трех баллистических ракет субмарина несла мощное торпедное вооружение: 6 533 мм носовых и 4 356 мм кормовых аппаратов для стрельбы противолодочными и противокорабельными торпедами.Энергетическая установка включала два водо-водяных ядерных реактора типа <ВМ-А> с кольцевыми заливными тепловыделяющими элементами, обеспечивавших работу турбогенераторов.
Эксплуатация головной атомной лодки <К-19> выявила ряд существенных конструктивных недостатков. В 1961 году во время проведения учений Северного флота под названием <Полярный круг>, на ней произошла авария реактора левого борта. Гибель лодки удалось предотвратить, для чего прямо в океане пришлось монтировать временную систему охлаждения аварийного реактора. Восемь человек, устранявших аварию и получивших большие дозы облучения, умерли после возвращения на базу. Позднее была установлена штатная система аварийной водяной проливки реактора для удаления теплоизбытков. <К-19> оказалась несчастливой. В феврале 1972 года на ней возник пожар, унесший жизни 28 подводников.
Всего в период с 1958 по 1964 год построили восемь подводных лодок этого типа (семь последних в ходе постройки были модернизированы с учетом опыта эксплуатации головной ПЛА и размещения новых ракет комплекса Д-4 – проект 658М), поступивших на Северный флот, и одну опытовую для проведения испытаний баллистических ракет Р-29. На то время они были самыми скоростными и крупными из советских подлодок. Однако, их радиоэлектронное и гидроакустическое оборудование не на много отличалось от оборудования дизельных лодок.
Применение подводного старта ракет вызвало существенные переделки на подводной лодке. Для обеспечения удержания заданной глубины лодки при ракетной стрельбе были установлены специальные балластные цистерны. Пришлось заменить шахты. Переделка головной лодки К-19 осуществлялась с мая 1962 года по осень 1963 года, после чего ее передали на испытания.
Старт ракет Р-21 мог осуществляться с глубины до 50 м, при скорости лодки до 4 узлов и волнении моря до 5 баллов. Предстартовая подготовка первой ракеты занимала 40 минут. Обеспечение ракетной стрельбы осуществлялось корабельной системой управления. В ее состав входили счетно-решающие приборы <Ставрополь-1> и <Изумруд>. Штурманское оборудование было модернизировано. На лодки установили навигационный комплекс <Сигма-658М>.
Следует признать, что советские ракетные лодки проекта 658М уступали американским ПЛАРБ практически по всем параметрам. В то же время они оказали неоценимую услугу конструкторам, дав им возможность отработать конструктивные решения, воплощенные на подводных ракетных крейсерах стратегического назначения. Корабли этого проекта активно использовались до второй половины 80-х годов.
