Легкий корпус, изготовленный из стали АК-17 (новейшей для своего времени, использовавшейся для постройки надводных кораблей), был принят удлиненным (с отношением длины к ширине – 13,3) цилиндрической формы на большей части длины с оконечностями, выполненными в форме эллипсоидных тел вращения с большей осью, стоящей вертикально. В районе расположения гребных винтов имелись горизонтальные и вертикальный стабилизаторы, обеспечивавшие устойчивое движение на заданных глубинах и направлениях. Вертикальный руль и кормовые горизонтальные рули разместили за гребными винтами, что повышало их эффективность. В целом форма кормовой оконечности корабля во многом повторяла обводы немецких «электрических» ДЭПЛ XXI серии. Ограждение выдвижных устройств и прочной рубки имело лимузинную форму. Весь легкий корпус и ограждение были облицованы резиновым покрытием, а носовые и кормовые горизонтальные рули – монолитной резиной.

В межбортном пространстве располагались 13 безкингстонных ЦГБ, сведенных в три группы (среднюю и две концевых). Для обеспечения надежной работы системы погружения (всплытия) в двух цистернах средней группы и по одной цистерне в каждой из концевых групп были предусмотрены двухзапорные клапаны вентиляции. Продувание ЦГБ производилось воздухом высокого давления (200 кг/см2 ), а ЦГБ концевых групп, кроме того, – отработанными газами дизель-генераторов.

Внешний вид, продольный разрез первоначального (посередине) и окончательного варианта технического (внизу) пр. 627 АПЛ:

1 – 1550-мм ТА для стратегической торпеды Т-15; 2 – носовой горизонтальный руль; 3 – баллоны системы ВВД; 4 – основная антенна ГАС «Арктика»; 5 – ходовой мостик; 6 – перископ ПР-12; 7 – прочная рубка; 8 – перископ ПЗН-9; 9 – ПМУ АП РЛС «Призма»; 10- ПМУ АП станции «Накат»; 11 – ПМУ ВАН-С; 12- ПМУ АП радиопеленгатора; 13 – дизель-генераторы; 14 – компенсаторы объема; 15 – главный циркуляционный насос; 16 – главная паровая турбина; 17 – главная зубчатая передача; 18 – пост управления главной энергетической установкой; 19 – навесной турбогенератор; 20 – компрессоры системы ВВД; 21 – кормовой входной люк; 22 – аварийный буй; 23 – привода кормовых горизонтальных рулей; 24 – ЦГБ; 25 – девятый (кормовой жилой) отсек; 26 – кормовая дифферентная цистерна; 27 – восьмой (жилой и вспомогательных механизмов) отсек; 28 – седьмой (электромеханический) отсек; 29 – шестой (турбинный) отсек; 30 – конденсатор; 31 – маневровое устройство; 32 – парогенераторы; 33 – реакторы; 34 – пятый (реакторный) отсек; 35 – четвертый (вспомогательных механизмов) отсек; 36 – центральный пост; 37 – третий (центрального поста) отсек; 38 – второй (носовой жилой и аккумуляторный) отсек; 39 – группы АБ; 40 – торпедозамещающие цистерны; 41 – первый (торпедный) отсек; 42 – носовая дифферентная цистерна; 43 – привода крышки 1550-мм ТА и ее обтекателя; 44 – 533-мм ТА; 45 – запасные торпеды; 46 – носовой входной люк.

АЭУ включала в себя два реактора типа ВМ-А с двумя прямоточными ПГ и два ГТЗА. Реакторы были установлены в пятом отсеке последовательно друг за другом в диаметральной плоскости корабля, а ПГ – побортно от них: на левом борту – ПГ носового реактора, а на правом борту – ПГ кормового реактора. Оба ГТЗА были установлены в шестом отсеке. Каждый из них состоял из однокорпусной турбины, двухступенчатой (с разделением мощности) редукторной передачи и главного конденсатора. Турбина монтировалась на жестком фундаменте, а редукторная передача- на резиновых амортизаторах. В месте соединения вала турбины с редуктором имелась зубчатая муфта, компенсировавшая возможные изломы осей валов.

ГТЗА приводили во вращение валопроводы через соединительно-разобщительные шинно-пневматические муфты. От ГТЗА также приводились навешенные ТГ, размещавшиеся в седьмом (электромеханическом) отсеке. Их валы соединялись с колесом первой ступени редукторной передачи через шарнирные звукоизолирующие муфты. На НТГ расходовалась мощность порядка 2000 л.с. и, таким образом, суммарная выходная мощность на валу каждого из ГТЗА составляла 19 500 л.с (500 об/мин).

Для движения на малых скоростях хода на каждой линии вала устанавливались ГЭД, как и НТГ, располагавшиеся в седьмом отсеке. Они получали питание либо от НТГ (турбогенераторный режим), либо от АБ. Оба ГЭД также могли использоваться в качестве источников электроэнергии (в генераторном режиме) во время движения корабля в надводном положении под ГТЗА. В качестве вспомогательных источников электроэнергии использовались два ДГ, а в качестве аварийных – АБ.

Вооружение корабля состояло из восьми 533-мм ТА, расположенных в двух вертикальных рядах. Общий боезапас составлял 20 торпед. При этом, впервые в отечественной практике, обеспечивались восьмиторпедный залп и стрельба всеми типами существовавших тогда торпед на глубинах до 100 м. Выработка данных для стрельбы и их автоматический ввод в БСУ торпед осуществлялся ПУТС «Торий».

К разработке рабочих чертежей СКВ-143 приступило еще на стадии разработки эскизного проекта, и уже в мае 1954 г. они стали поступать на ССЗ-402 в Молотовске (в настоящее время СМП в Северодвинске), который должен был строить корабль. По мере поступления рабочих чертежей по ним сразу же стали изготавливать обечайки и секции прочного корпуса. Благодаря этому фактическая постройка АПЛ (зав. №254) началась в июне 1954 г., т.е. за год до окончательного утверждения технического проекта. Если кормовые отсеки прочного корпуса не пострадали от столь нетрадиционного подхода к этапам постройки корабля, то два носовых отсека пришлось не только перепроектировать, но полностью переделывать. К моменту, когда в июле 1955 г. пришли корректированные чертежи, заводом уже были изготовлены обечайки носовой части прочного корпуса, межотсечные сферические переборки и гигантский ТА для 1550-мм торпеды.

Официально первую отечественную АПЛ, получившую тактический номер К-3, заложили 24 сентября 1955 г. К марту 1957 г. ССЗ-402 получил всю техническую и эксплуатационную документацию по строившемуся кораблю, которая с июля 1954 г. разрабатывалась под непосредственным наблюдением уполномоченных Главного управления кораблестроения (ГУК) ВМФ. После того, как были изготовлены все секции прочного корпуса, их соединили между собой и провели гидравлические испытания в специально построенной док-камере. Здесь же испытывались прочные цистерны и сферические переборки. После этого началось насыщение отсеков, в том числе установка в них ППУ и ПТУ. Причем каждый из отсеков имел своих «хозяев», представлявших СКВ-143 и руководивших размещением в них механизмов, оборудования и систем, внося на месте необходимые изменения в чертежи и рабочую документацию. По мере насыщения отсеков на них надстраивались обечайки легкого корпуса и формировались ЦГБ с системами вентиляции. Отсеки располагались на транспортных тележках, при помощи которых соединялись межу собой после полного насыщения, формируя корпус. В начале августа 1957 г. монтажные работы в отсеках были в основном закончены. К этому моменту полностью сформировали легкий корпус и облицевали его резиновым покрытием. После этого на корабль навесили шесть пар киль-блоков (еще две пары располагались в оконечностях под корпусом) и на грузовых тележках вывели из цеха, а 9 августа 1957 г. – его, при помощи навешенных киль-блоков, спустили на воду по наклонным направляющим лагом к урезу воды. Такой способ позволял вывести корабль на воду без существенного углубления акватории завода.

Одновременно с постройкой корабля в Обнинске на территории ФЭИ АН СССР создавался наземный прототип корабельной АЭУ, в специальной литературе именуемый натурным стендом. Он представлял собой реакторные и турбинные отсеки ПЛ со смонтированными в них ППУ и ПТУ правого борта корабля и штатными системами дистанционного управления. Кормовой частью эти отсеки выходили в специальный бассейн, в котором гидротормозом снималась мощность с гребного вала. Этот натурный стенд, помимо отработки конструкции АЭУ, использовался для подготовки и обучения, под непосредственным руководством А.П. Александрова, личного состава электромеханической боевой части (БЧ-5) К-3. Командиром корабля был назначен капитан 1 ранга Л.Г.Осипенко, а командиром БЧ-5 – капитан 2 ранга Б.П. Акулов.