Расчеты показали, что даже при использовании эффективного кислородно-керосинового топлива и при высоком коэффициенте удельного импульса тяги ракета должна быть по крайней мере двухступенчатой. Возникла проблема запуска двигателей второй ступени.

Глушко не мог запускать жидкостный двигатель второй ступени после сброса первой, а Королев боялся включать его до ее сброса. Компоновщики и конструкторы не знали, как можно защитить баки первой ступени от действия горячей струи двигателя второй ступени. При решении этой проблемы родилась идея пятиблочной ракеты с продольным отделением боковых блоков (первой ступени) от второго блока (второй ступени).

Компоновался пакет в виде четырех независимых одинаковых ракет (блоков) первой ступени, оснащенных двигателями тягой в 80 тонн, симметрично располагаемых вокруг второй ступени. Чтобы баки последней оставались заполненными в момент сброса первой ступени, конструкторы ввели систему перекачки в процессе полета топлива в эти баки из всех боковых блоков. При этом компоновка и второй ступени, и блоков была подобна компоновке ракеты «Р-5», что значительно упрощало работу конструкторам и технологам. Новизну для них представляли лишь узлы связей блоков и магистралей перекачки топлива. Больше всего проблем указанная схема создавала самим проектантам в области строительной механики системы блоков, аэродинамики и по обеспечению устойчивости полета, а также в части регулирования функционирования двигательных установок. Принципиально новой выглядела и задача безударного разделения ступеней; намного возрастал объем работ по наземной подготовке ракеты к пуску.

Для управления полетом ракеты решено было использовать рулевые двигатели относительно малой тяги с поворотными камерами. На старте рулевые двигатели включались одновременно с маршевыми.

При рассмотрении вопроса о том, какое КБ возьмет на себя разработку этих камер, была учтена просьба Валентина Глушко, чтобы его бюро не отвлекалось на создание камер малой тяги параллельно с работами по основным двигателям, а также то обстоятельство, что в ОКБ Королева имелось подразделение во главе с Михаилом Мельниковым, которое уже создало работающий прототип требуемой рулевой камеры и соответствующий испытательный стенд. На каждом из боковых блоков первой ступени было установлено по два однокамерных рулевых двигателя, на центральном блоке (второй ступени) — 4 рулевых двигателя.

Позже, в космических ракетах-носителях, созданных на основе «Р-7», использовались рулевые двигатели, спроектированные уже в ОКБ-456 под руководством Глушко.

В конечном виде на ракете «Р-7» устанавливалось четыре шестикамерных маршево-рулевых ЖРД «РД-107» первой ступени тягой у земли 78 тонн, а также восьмикамерный маршево-рулевой «РД-108» второй ступени тягой у земли 71 тонн. Первое стендовое испытание двигателей в составе пакета ракеты «Р-7» состоялась в Загорске 20 февраля 1957 года

Ключевым являлся вопрос сборки «Р-7» на стартовой позиции. Королев и главный конструктор наземного комплекса Бармин остановились на наиболее простом варианте его решения: перевозить и ставить на пусковой стол все блоки поодиночке, а затем соединять их со второй ступенью в двух точках касания — внизу (на уровне крепления двигателей) и вверху.

Отношение к выбранной компоновке главного конструктора системы управления Пилюгина было отрицательным. Сравнительно большое расстояние между боковыми блоками создавало значительные опрокидывающие моменты при несинхронном изменении их тяги, действие которых с трудом поддавалось компенсации.