Техническийпроект дизель-электрический подводной лодки был утвержден в 1959 году, а в 1963—1968 гг. в состав ВМФ вошло 16 кораблей этого типа (их строительство осуществлялось в Ленинграде и в Горьком).

ДЭПЛ несла мощное ударное вооружение (впервые в мировой практике применительно к ПЛ) — противокорабельные оперативно-тактические крылатые ракеты комплекса П-6, расположенные в четырех герметизированных транспортно-пусковых контейнерах вне прочного корпуса, за и перед ограждением рубки. Перед пуском контейнеры поднимались на угол 15°. Вначале на ПЛ было предусмотрено использование КР двух типов: ПКР комплекса «П-6» для стрельбы по подвижным целям (кораблям) и «П-5» — по береговым целям. Соответственно на ПЛ устанавливались две системы управления ракетной стрельбой и двух ти­пов бортразъемы для ракет «П-6» и «П-5». Вследствие этого при замене на ПЛ одного типа КР на другой требовалось от двух до трех суток. Однако, после сня­тия с вооружения КР комплекса «П-5» в 1966г. необхо­димость в такой замене отпала. Состав и конструкция ракетных контейнеров, систем и устройств, обслужи­вающих ракетное оружие на ДПЛКР, были в целом та­кими же как и на ПЛАРК проекта 675.

ПКР комплекса «П-6» испытывались на ПЛ про­екта 651. Одиночные пуски ракет дали хорошие ре­зультаты, однако при залповой ракетной стрельбе возникли те же проблемы, что и на ПЛАРК проекта 659 (отходящие газовые струи маршевого и старто­вого двигателей стартующей ракеты, попадая в воз­духозаборник КР, готовящейся к старту, вызывали срыв потока и подъем температуры в маршевом дви­гателе, что приводило к падению его оборотов и даже остановке двигателя), При этом спроектированная у ПЛ форма газоотводов не оказывала существенно­го влияния на работу маршевого двигателя ракеты, В результате испытаний был установлен порядок запус­ка ракет и временной интервал между пусками, обес­печивающие залповую стрельбу всеми ракетами ПЛ.

Торпедное вооружение корабля включало шесть носовых торпедных аппаратов калибром 533 мм (боезапас — шесть торпед), стрельба из которых обеспечивалась на глубинах от перископной до 100 м. Кроме того, имелось четыре 400-мм ТА (боезапас — 12 торпед) в кормовой части корабля (максимальная глубина стрельбы — 250 м). 

Лодка имела двухвальную энергетическую установку в составе двух дизелей надводного хода 1Д43 (2 х 4000 л. с.), двух главных гребных электродвигателей подводного хода МГ-141 (2 х 6000 л. с.), дизель-генератора мощностью 1000 кВт (с дизелем 1Д42) и двух гребных электродвигателей экономического хода ПГ-140 (2 х 2000 л. с.). 

Впервые в практике отечественного подводного кораблестроения на лодках 651-го проекта было решено применить серебряно-цинковые аккумуляторные батареи “30/3”, имевшие значительно большую емкость по сравнению с традиционными свинцово-кислотными. 

ПЛ имела двухкорпусную архитектуру. Прочный корпус, а также все поперечные водонепроницаемые переборки были выполнены из стали с пределом текучести 60 кгс/мм2. Это позволило увеличить предельную глубину погружения по сравнению с ранее построенными отечественными дизель-электрическими подводными лодками на 100 м. 

Первые пять субмарин имели легкий корпус, изготовленный из маломагнитной стали. Однако в дальнейшем из-за коррозионного растрескивания вновь вернулись к использованию обычной стали. 

Начиная с шестого серийного корабля на легкий корпус наносилось специальное резиновое противогидролокационное покрытие. 

По тактико-техническим данным, мощности оружия, радиотехническому вооружению, корабельным системам, механизмам и устройствам подводные лодки 651-го проекта превосходили все существующие в 60-х годах отечественные и зарубежные дизель-электрические подводные лодки. Применение противогидролокационных покрытий, средств шумопоглощения, мер по звукоизоляции механизмов от корпуса корабля, нового движительного комплекса с малошумными гребными винтами в направляющих, насадках обеспечивало ПЛ 651-го проекта уровень шумности, меньший чем у лодок других проектов, при рекордно высокой для отечественных ДЭПЛ скорости полного подводного хода — более 18 узлов. Дальность плавания экономичной подводной скоростью 2,8 узла составляла 810 миль.