Первоначально создание УР-500 предполагалось вести, используя счетверённую связку УР-200 в качестве первой ступени… Однако проведённые расчеты и анализ, в том числе и на динамически подобном макете, показали нерациональность этой схемы. К выполнению была принята первая ступень новой разработки.
В начале сентября 1963 года В. Н. Челомей продемонстрировал Н. С. Хрущеву, посетившему космодром Байконур, ход работ по строительству «его», левой части, стартовой позиции космодрома. Техническая испытательная позиция с монтажно-испытательным корпусом (МИК) была создана здесь в 1965 году. Тогда же Никите Сергеевичу был продемонстрирован полноразмерный макет ещё двухступенчатой УР-500, установленной на макете собственного пускового стола. Здесь же был представлен масштабный макет шахтной пусковой установки боевого варианта ракеты. Габариты и заявленные возможности произвели на Хрущёва и сопровождающих его лиц сильное впечатление, но вновь заставили задуматься о стоимости представленных проектов, что несколько портило их настроение.
Межконтинентальная ракета УР-500, разработанная в ОКБ-52, возглавляемом В. Н. Челомеем, имела тактико-технические данные, значительно превышающие данные всех существовавших в то время ракет-носителей в Советском Союзе и за рубежом. Эту боевую ракету предполагалось создать как средство возмездия в случае нападения на Советский Союз вероятного противника.
Ракета УР-500 была выполнена в двухступенчатом варианте. Первая ступень ракеты состояла из центрального блока диаметром 4100 миллиметров и шести боковых блоков диаметром 1600 миллиметров, размещаемых вокруг центрального блока. Каждый боковой блок имел в своем составе двигатель с реактивной тягой 150 тонн. Вторая ступень состояла из одного блока такого же диаметра, как и центральный блок первой ступени. Ракета заправлялась на стартовом комплексе агрессивными компонентами топлива, где окислителем был азотный тетраоксид, а горючим — несимметричный диметилгидразин (НДМГ). «Стартовый вес ракеты составлял около 600 тон, а полезный груз, выводимый на орбиту полёта — 14 тонн…» [35]
16 июля 1965 года состоялся первый пуск двухступенчатой ракеты-носителя УР-500. На орбиту был выведен наиболее тяжёлый из запущенных к тому времени космических аппаратов, название которого позднее перешло и к самому носителю — тяжелый научно-исследовательский спутник «Протон-1». Три пуска УР-500 из четырёх (последний — 6 июля 1966 года) в ходе лётных испытаний прошли успешно, третий (24 марта 1966 года) был прерван из-за аварии при работе второй ступени.
«Проектные работы над конструкцией тяжёлой ракеты-носителя УР-500 вели главным образом филёвские специалисты под руководством В. Н. Бугайского — толкового и грамотного специалиста, — вспоминает Г. А. Ефремов. — Мы в Реутове в то время были заняты созданием тяжёлого спутника «Протон», выводимого этой ракетой, по наименованию которого она и получила своё название. Разрабатывалось два типа «Протонов» — первые три под двухступенчатую и четвёртый — под трехступенчатую ракету. Челомей был последовательным системщиком и создание новой ракеты без привязки её к необходимой цели считалось необоснованным. К моменту первого пуска в июле 1965 года требовалось вывести ракету на орбиту, последовательно и всесторонне испытать её, прежде чем решать более сложные задачи. По согласованию с Академией наук В. Н. Челомей решил разместить на спутнике, выводимом тяжёлой ракетой-носителем, гамма-телескоп, предназначенный для наблюдения удалённых объектов в спектре гамма-излучения. Первые три «Протона» были примерно одинаковыми аппаратами массой более 12 тонн каждый, с аппаратурой, разработанной под руководством академика С. Н. Вернова из Института ядерной физики, включавшей гамма-телескоп, сцинтилляционный телескоп и пропорциональные счётчики, измеряющие энергию падающего излучения. Эта аппаратура была разработана несколькими годами ранее, но с созданием тяжёлой ракеты-носителя впервые могла быть испытана в необходимых условиях — в космосе. Задача создания этих спутников была привязана к уже рождающейся ракете, и потому время их создания было очень ограничено. Первые три «Протона» отличались друг от друга незначительно, а вот «Протон-4», запущенный в ноябре 1968 года, имел массу уже почти в полтора раза больше при весе научной аппаратуры, увеличенном более чем в три с половиной раза. Эти спутники не имели возможности ориентирования в космосе. Для нас это была знакомая, хотя и напряжённая, как это чаще бывало, техническая работа, а вот физики были в восторге и, получив результаты, говорили о прорывном вкладе в науку в своей узкой области».