Оценивая перспективы применения УР-500, В. Н. Челомей предлагал создать для неё семейство целевых нагрузок, способных решать задачи научного, народнохозяйственного и военного характера.
Трёхступенчатый вариант ракеты УР-500К был разработан в соответствии с постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР от 24 апреля 1964 года.
В соответствии с постановлением № 655–268 от 3 августа 1964 года посредством этой ракеты (УР-500К) должен был быть совершён облёт Луны. Проект документа был представлен Л. В. Смирновым, С. А. Зверевым, В. Д. Калмыковым, П. В. Дементьевым, М. В. Келдышем и регламентировал «работы по исследованию Луны и космического пространства» на ближайшие сроки — до 1968 года. Постановление имело гриф «Особой важности», на первой странице штамп — «Подлежит возврату в течение 24-х часов в группу № 1 Особой части управления Делами Совета Министров СССР».
Ступени ракеты соединяются последовательно, по схеме «тандем». Отделение первой ступени происходит по «горячей» схеме, то есть двигатели второй ступени запускаются раньше начала выключения маршевых ЖРД первой ступени. Как только тяга двигателей второй ступени превысит остаточную тягу ЖРД первой ступени, происходит подрыв пироболтов, соединяющих фермы ступеней, ступени расходятся, а продукты сгорания из камер ЖРД второй ступени, воздействуя на тепловой экран, тормозят и отталкивают первую ступень. Отделение второй ступени происходит по «полугорячей» схеме.
Двигательная установка первой ступени состоит из шести автономных маршевых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) РД-253 конструкции В. П. Глушко, расположенных симметрично вокруг центрального блока. Двигатели имеют турбонасосную систему подачи топлива с дожиганием генераторного газа. Запуск двигателей осуществляется путём прорыва пиромембран на входе в двигатель.
Третья ступень ракеты УР-500 состоит из приборного, топливного и хвостового отсеков. Двигательная установка третьей ступени РД-0212 — ЖРД конструкции С. А. Косберга. Этот двигатель состоит из маршевого однокамерного двигателя РД-0213 и четырёхкамерного рулевого двигателя РД-0214. Маршевый двигатель по устройству и работе аналогичен двигателю РД-0210 второй ступени и является его модификацией.
Для выведения полезной нагрузки на высокие, геостационарные и отлётные орбиты используется дополнительная ступень, называемая разгонным блоком, которая может быть третьей, четвёртой и даже пятой ступенью. Разгонные блоки позволяют проводить многократные включения двигательных установок. Первые разгонные блоки для PH «Протон-К» были сделаны на базе ракетного блока Д пятой ступени носителя Н-1. Разработка этого блока велась в ОКБ-1 (РКК «Энергия» имени С. П. Королёва). В составе ракеты-носителя «Протон» блок претерпел несколько модификаций. Позднее использовались разгонные блоки моделей ДМ-2 и ДМ-2М производства РКК «Энергия».
ГКНПЦ имени М. В. Хруничева разработал новый разгонный блок «Бриз-М». Создание блока «Бриз-М» — только один из этапов модернизации ракеты-носителя «Протон-К». В результате осуществления целого комплекса мероприятий в рамках этой модернизации ракета приобрела новый технический облик и более широкие возможности, получив новое название — «Протон-М».
Созданная в середине 1960-х годов ракета-носитель УР-500К является одной из самых мощных отечественных ракет-носителей, незначительно уступая новой PH «Ангара-А5». Эксплуатацию и совершенствование ракет УР-500К с начала 1980-х годов осуществляет ГКНГЩ имени М. В. Хруничева. Ракеты-носители тяжёлого класса УР-500, «Протон-К», «Протон-М» на октябрь 2022 года совершили 427 стартов, из них 379 успешных.
Ракета первой модификации имела массу до 600 тонн, масса полезной нагрузки, выводимой на орбиту высотой 200 километров, — 13 тонн, высоту —41–43 метра (в зависимости от головной части), максимальный диаметр — 7,4 метра.
Ракета третьей модификации имела массу до 705 тонн, массу полезной нагрузки, выводимой на низкую околоземную орбиту, — 23,7 тонны, на геостационарную орбиту — до 3,7 тонны, при том же диаметре высота ракеты достигала 58,2 метра.
Лётные испытания ракеты УР-500К успешно начались 10 марта 1967 года запуском макетного образца корабля 7К-Л1 («Космос-146»). До 29 сентября 1977 года был осуществлён 61 пуск ракеты УР-500К с различными типами космических аппаратов, были выведены на заданные орбиты 12 кораблей 7К-Л1 «Зонд», разработанных под руководством С. П. Королёва.