Отдельные конструктивные решения для новой ракеты предполагалось отработать на модифицированной «Р-2» и специально созданной экспериментальной летающей модели — ракете «Р-3А». Особые трудности возникли при разработке двигателя и обеспечении требуемого конструктивного совершенства — высокого отношения массы заправленной ракеты к сухой массе. Не все было ясно с обеспечением целостности головной части при ее входе в атмосферу с высокими гиперзвуковыми скоростями.

Эскизный проект «Р-3» утвердили в декабре 1949 года с рекомендацией принять в качестве ближайшей задачи создание ракеты «Р-3А» дальностью 935 километров для отработки в натурных условиях конструкции, двигателя и системы управления ракеты «Р-3».

Планировалось начать летно-конструкторские испытания ракеты «Р-3А» в октябре 1951 года, но проектные проработки показали, что, несколько изменив назначение ракеты, можно достаточно быстро получить качественно новое изделие — боевой ракетный комплекс с дальностью действия более 1000 километров.

К исходу 1949 года рамки отдела № 3 НИИ-88 стали тесны для быстро растущего конструкторского коллектива под руководством Сергея Королева, и 30 апреля 1950 года вышел приказ Министра вооружений о преобразовании СКВ в Опытное конструкторское бюро № 1 (ОКБ-1) по разработке ракет дальнего действия (начальник и главный конструктор — Сергей Королев) и ОКБ-2 по разработке зенитных ракет (и.о. начальника и главного конструктора — Карл Тритко). Еще через полтора месяца заместителем начальника ОКБ-1 назначили Василия Мишина, а заместителем главного конструктора — Василия Будника.

Работы по проекту «Р-3» еще не закончились, а Королеву уже стало ясно, что дальность полета в 3000 километров недостаточна. Актуальным становилось создание мощной межконтинентальной ракеты. Для решения этой задачи в соответствии с постановлением Совета Министров от 4 декабря 1950 года в научно-исследовательских разработках по темам «Н-1», «Н-2» и «Н-3» провели углубленные и расширенные исследования по новым схемам ракет, двигателей и топлив. Однако необходима была и ракета, способная поражать цели в оперативной глубине обороны противника. Такой ракетой стала машина, созданная на базе «Р-3А» и получившая обозначение «Р-5».

Работа над «Р-5» велась в конструкторском бюро Королева с конца сороковых годов. Новая ракета должна была иметь дальность полета, вдвое превышающую дальность предыдущего серийного изделия. В истории отечественного ракетостроения ей суждено остаться первой ядерной ракетой.

В 1951 году был закончен эскизный проект, и через год вышло решение правительства страны о создании баллистической ракеты, обладающей дальностью полета свыше 1000 километров. Первый старт состоялся 2 апреля 1953 года на полигоне Капустин Яр. После испытательных запусков 15 ракет и доработок по результатам испытаний в 1955 году «Р-5» была принята на вооружение инженерных бригад РВГК.

«Р-5» имела жидкостный маршевый двигатель «РД-103» конструкции Валентина Глушко тягой в 41 тонну, созданный на базе двигателя ракеты «Р-1» путем его максимального форсирования, снабженный специальным сопловым насадком. Оба бака (окислителя и горючего) стали несущими и оснащались системой уменьшения невыработанных остатков топлива, приборы системы автономного управления (СУ) располагались в двух отсеках — хвостовом (над двигателем) и межбаковом и дополнялись приборами радиоуправления боковой дальностью, позволяющей уменьшить рассеивание головных частей на максимальной дальности. Для управления на активном участке полета применялись сверхзвуковые газовые рули новой конструкции. Все решения, направленные на улучшение основных конструктивных показателей ракеты, стали стандартными и применялись впоследствии на изделиях разработки ОКБ-1.