Строящиеся лодки 641-го проекта и уже стоящие на вооружении лодки проектов 611, 613, 633 в качестве усиления вооружения получили, в дополнение к торпедам, новые крылатые ракеты «55Т», получившие в серии обозначение 3М10Т (АИ). С этими ракетами любая из старых дизельных лодок становилась носителем стратегического ракетного оружия, способным нанести удар на дистанции около 2500 километров.
Для поражения морских целей лодки могли брать вместо части торпед сверхзвуковые ПКР «55П», в серии получившие индекс 3М10П. Недостатком этого варианта было сокращение торпедного боекомплекта. Поэтому в ЦКБ-16 Николая Никитича Исанина проводилась опытно-конструкторская работа по установке на дизельные подводные лодки ячеек УВП, либо путём врезки в корпус короткого дополнительного отсека между 1-м и 2-м отсеками, либо врезкой пусковых шахт в балластные цистерны побортно, там, где такой вариант позволяла конструкция (АИ).
При этом была отменена на ранней стадии разработка крылатых ракет П-10 и П-20. Их предлагали разрабатывать ради подстраховки, на случай, если у Челомея возникнут трудности с доводкой П-5 и П-6. Но Владимир Николаевич со своей задачей справился хорошо, к тому же учёл подсказки, переданные из ИАЦ через ВИМИ, и добился высокой степени унификации своих изделий, не говоря уже о расширении их тактических возможностей. Его ракеты, получив радиовысотомеры и допплеровские измерители скорости и сноса, научились летать в режиме огибания рельефа местности, что позволяло им подкрадываться к цели на предельно малой высоте.
Челомей, найдя удачную компоновку ракеты на примере П-5/П-6, взялся развивать её в целое семейство. Помимо П-35, предназначенной для вооружения эскортных кораблей, он намеревался увеличить дальность ракеты, для её применения по наземным целям. За счёт использования более экономичного варианта турбореактивного двигателя сверхзвуковая ракета, получившая наименование П-7, теперь могла поражать цели на дистанции 1000 километров, вместо 550 у П-5Д, и при этом запускалась из тех же пусковых контейнеров, что и П-5/П-6 (АИ, в реальной истории проект был отменён из-за прогресса баллистических ракет. Затем задачу увеличения дальности ПКР так или иначе пришлось решать созданием образцов П-500 «Базальт» и П-1000 «Вулкан»). Владимир Николаевич точно угадал основную тенденцию, и, помимо ядерного оснащения, распорядился уделить особое внимание варианту с обычной БЧ и высокоточной телевизионной системой наведения с лазерной подсветкой цели. Этот вариант в мае 1960-го удачно зарекомендовал себя в Греции (АИ), и теперь Челомей считал его основным.
В этот же период шло совершенствование торпедного вооружения лодок. На базе принятой на вооружение в 1956 году торпеды 53–56 разрабатывалась акустическая самонаводящаяся модификация 53-56ВА. Подводные лодки получили также модификацию торпеды 53–57, управляемую по проводу в шланговой катушке (АИ). Параллельно разрабатывалась новая торпеда 53–61, с самонаведением по кильватерному следу. На базе торпеды 53–57 была разработана атомная торпеда 53–58 (Т-5), с ядерной боевой частью мощностью 3 килотонны, предназначавшаяся для поражения авианосных ударных соединений противника.
Для вооружения атомных подводных лодок разрабатывалась торпеда увеличенного диаметра 650 мм. Постановление о её разработке было принято 4 марта 1958 г, и весной 1961-го ожидалось начало испытаний опытной партии на озере Иссык-Куль. Предполагалось, помимо обычной прямоходной торпеды, также разработать её телеуправляемый вариант, тоже с управлением по проводу, и самонаводящийся, с наведением по кильватерному следу.
В программе строительства атомного подводного флота изменения были ещё более значительны. В постройке были торпедные лодки изменённого проекта 627, на конец 1960 года их было построено и сдано флоту 5 единиц: К-3, К-5, К-8, К-14 и К-52. Благодаря тщательной конструкторской отработке, строжайшей трудовой дисциплине на производстве, и отсутствию спешки работа шла даже более ритмично и быстро, чем когда людей подгоняли. У конструкторов было время на доработки, так как многие недостатки лодок первого поколения были учтены, благодаря «информации из ВИМИ», уже на этапе проектирования. Теперь не было проблем с текущими парогенераторами, значительно уменьшилась шумность и пожароопасность.
Изучая в 1957 году информационную подборку по атомным подводным лодкам, подготовленную аналитиками ИАЦ (АИ, см. гл. 02–46), военно-морской министр адмирал Кузнецов с ужасом выяснил, что в «той» истории почти все АПЛ проекта 627 в период 1960-63 гг оказались небоеспособны. Причиной было применение в конструкции парогенераторов нержавеющей стали, которая при тех температурах и давлениях быстро выходила из строя из-за образования большого количества микротрещин.