Если отечественные торпедные атомоходы первого поколения создавались для борьбы с надводными кораблями противника, то во второй половине 50-х гг. стало очевидно, что и Советскому Союзу необходимы АПЛ Атомная подводная лодка с «противолодочным уклоном», способные вести борьбу с ракетными ПЛ Подводная лодка «потенциального противника» на позициях вероятного использования ими оружия, обеспечивать развертывание собственных ПЛАРБ Атомная подводная лодка с баллистическими ракетами (осуществляя противодействие подводным и надводным силам, действующим на противолодочных рубежах), а также защищать корабли и транспорты от вражеских подводных лодок. Разумеется, не снимались и традиционные для торпедных ПЛ Подводная лодка задачи борьбы с надводными кораблями противника (в первую очередь — авианосцами), действия на коммуникациях, осуществления минных постановок и т. п. Работы по исследованию облика атомоходов второго поколения начались в СССР в конце 50-х гг. 28 августа 1958 г., в соответствии с правительственным постановлением, для новых АПЛ Атомная подводная лодка развернулось проектирование унифицированной паропроизводящей установки. Приблизительно в то же время был объявлен конкурс проектов лодок 2-го поколения, в котором приняли участие ведущие конструкторские коллективы страны, специализирующиеся на подводном кораблестроении - СКБ-143, ЦКБ Центральное конструкторское бюро-18 и СКБ-112 «Судопроект». Наибольшим техническим заделом обладало ленинградское СКБ-143, которое на основе своих более ранних (1956— 1958 гг.) инициативных проработок, выполненных под руководством А. Б. Петрова, подготовило технические предложения по торпедной (проект 671) и ракетной (проект 639) лодкам.
Отличительными особенностями этих проектов стали усовершенствованная гидродинамика, отработанная с привлечением специалистов московского филиала ЦАГИ, одновальная компоновка, применение переменного трехфазного тока, а также увеличенный диаметр прочного корпуса, что обеспечивало поперечное размещение двух новых, более компактных ядерных унифицированных для АПЛ Атомная подводная лодка второго поколения реакторов.
По итогам конкурса СКБ-143 получило задание на проектирование атомной торпедной подводной лодки проекта "Victor I". Отличительной особенностью нового корабля должна была стать мощная гидроакустика (в условиях конкурса впервые специально оговаривались размеры ГАС Гидро-аккустическая станция). Если на АПЛ Атомная подводная лодка первого поколения была применена электрическая система постоянного тока (что было логично для ДЭПЛ Дизель-электрическая подводная лодка, где основным источником энергии при движении в подводном положении являлись аккумуляторные батареи), то на атомоходах второго поколения было решено перейти на переменный трехфазный ток. Тактико-техническое задание на новый атомоход было утверждено 3 ноября 1959 г., в марте 1960 г. был выполнен эскизный, а в декабре того же года — технический проекты. Создание АПЛ Атомная подводная лодка проекта 671 велось под руководством главного конструктора Г. Н. Чернышева. Исходя из того, что новая подводная лодка предназначалась в первую очередь для уничтожения американских ПЛАРБ Атомная подводная лодка с баллистическими ракетами в районах их боевого патрулирования (т. е. на «чистой воде», а не подо льдами Арктики), заказчик, под усиленным давлением разработчика, счел возможным отказаться от требования обеспечения надводной непотопляемости при заполнении водой любого из отсеков лодки. Как и на атомоходах 1-го поколения, на новой лодке было решено применить двухреакторную энергетическую установку, полностью удовлетворяющую требованиям надежности. Была создана компактная паропроизводящая установка с высокими удельными показателями, почти вдвое превышающими соответствующие параметры предшествующих энергетических установок. «В виде исключения» главком ВМФ Военно-морской флот С. Г. Горшков дал согласие использовать в проекте 671 один гребной вал, что позволило уменьшить водоизмещение и шумность. За счет перехода на одновальную схему достигалось и улучшение пропульсивных качеств корабля приблизительно на 30%, а также (при использовании более мощной отечественной энергетики) обеспечивалось получение значительно более высоких, чем у зарубежных аналогов, подводных скоростей.
Реализация одновальной схемы позволила разместить в одном отсеке главный турбозубчатый агрегат и оба автономных турбогенератора со всем сопутствующим оборудованием. Это обеспечило уменьшение относительной длины корпуса лодки. В результате при большем водоизмещении полные нового атомохода смоченные поверхности АЛЛ проектов "Victor I" "Victor I" оказались примерно равными. Адмиралтейский коэффициент, характеризующий эффективность использования мощности силовой установки корабля, превзошел аналогичный показатель АПЛ Атомная подводная лодка проекта 627 примерно в два раза и фактически сравнялся с коэффициентом американских АПЛ Атомная подводная лодка типа Skipjack. В конструкции прочного корпуса было решено применить новую сталь марки АК Cargo Ship (сухогрузный транспорт)-29, что позволяло увеличить глубину погружения.
В отличие от АПЛ Атомная подводная лодка первого поколения, новый корабль было решено оснастить автономными (а не навешенными на ГТЗА) турбогенераторами, что повышало надежность работы электроэнергетической системы. При создании лодки проекта "Victor I" большое значение придавалось развитию средств подводного обнаружения и целеуказания, совершению навигационного оборудования и вооружения.
Согласно первоначальным проектным проработкам торпедные аппараты планировалось сдвинуть к центру корабля, как на американских АПЛ Атомная подводная лодка типа Permit, расположив их под углом к диаметральной плоскости АПЛ Атомная подводная лодка. Однако в дальнейшем выяснилось, что при подобной компоновке скорость подводной лодки в момент торпедной стрельбы не должна была превышать 11 узлов (что оказалось неприемлемым по тактическим соображениям: в отличие от американских АПЛ Атомная подводная лодка советская лодка предназначалась для борьбы не только с подводными лодками, но и крупными надводными кораблями противника). Кроме того, при «американской» компоновке серьезно осложнялись торпедопогрузочные работы, и становилось полностью невозможным пополнение боекомплекта в море. В результате торпедные аппараты на проекта "Victor I" было решено установить в носовой части корабля, над антенной ГАС Гидро-аккустическая станция. В 1960 г. ленинградский Адмиралтейский завод приступил к подготовке строительства серии новых торпедных атомоходов.
Двухкорпусная подводная лодка с характерным «лимузинным» ограждением выдвижных устройств имела прочный корпус, выполненный из высокопрочной стали АК Cargo Ship (сухогрузный транспорт)-29, толщина листов которой достигала 35 мм. Внутренние плоские переборки были рассчитаны на давление 10 кгс/см2. Корпус корабля делился на семь водонепроницаемых отсеков:
— 1-й торпедный, аккумуляторный и жилой;
— 2-й центральный пост, провизионные и вспомогательные механизмы;
— 3-й реакторный;
— 4-й турбинный (в нем же размещены и автономные турбоагрегаты);
— 5-й электротехнический и вспомогательных механизмов (в нем же находился и санблок);
— 6-й жилой и дизель-генераторный;
— 7-й рулевой (здесь же расположены гребные электродвигатели и камбуз).
Конструкция легкого корпуса, носовая часть надстройки, вертикальное и горизонтальное оперение были выполнены из маломагнитной стали. Ограждение выдвижных устройств рубки, а также средняя и кормовая части надстройки изготавливались из алюминиевого сплава, а крупногабаритный обтекатель антенны гидроакустического комплекса и рули — из титановых сплавов. Для лодки проекта 671 (а также ее дальнейших модификаций) была характерна тщательная отделка обводов наружного корпуса.
Балластные цистерны имели кингстонную (а не шпигатную, как на всех предыдущих советских ПЛ Подводная лодка послевоенных проектов) конструкцию.
По сравнению с реакторами первого поколения компоновка ядерных энергетических установок второго поколения была существенно изменена. Хотя она и осталась петлевой, были значительно сокращены пространственная распределенность и объемы первого контура (т. е. реактор стал более компактным и «плотным»). Была реализована схема «труба в трубе», а также произведено «навешивание» насосов первого контура на парогенераторы. Сократилось количество трубопроводов большого диаметра, соединяющих основные элементы установки (фильтр 1-го контура, компенсаторы объема и т. п.). Практически все трубопроводы первого контура (малого и большого диаметра) разместили в необитаемых помещениях и закрыли биологической защитой. Существенно изменились системы контрольно-измерительных приборов и автоматики ядерной силовой установки. Возросла доля дистанционно-управляемой арматуры (клапанов, задвижек, заслонок и т. п.).
После 1976 г., в ходе модернизации, на большинстве лодок проекта "Victor I" ГАК Гидроакустический комплекс «Рубин» был заменен на более совершенный комплекс «Рубикон» с инфразвуковым излучателем, имеющий максимальную дальность обнаружения более 200 км. Выдвижные устройства включали перископ ПЗНС-10, антенну системы радиоопознавания МРП-10 с ответчиком, радиолокационный комплекс «Альбатрос», радиосвязные антенны ВАН-М или «Анис» и «Ива», пеленгатор «Завеса», а также устройство РДП Устройство для работы дизелей под водой (шнорхель). Имелись гнезда для ряда съемных антенн, устанавливаемых при решении конкретных задач. На борту подводной лодки был установлен навигационный комплекс, обеспечивающий курсоуказание и счисление пути.
Торпедный комплекс занимал верхнюю треть первого отсека. Торпедные аппараты располагались в два горизонтальных ряда. В диаметральной плоскости корабля, над первым рядом ТА Торпедный аппарат, находился горизонтальный торпедо-погрузочный люк. В носовой оконечности перед люком располагался закрываемый щитами горизонтальный лоток, в который краном опускалась торпеда, загружаемая в подводную лодку. Такая конструкция позволила радикально сократить и упростить процесс погрузки боекомплекта, не требуя от команды особых физических усилий, сложных и опасных операций. Все делалось дистанционно: торпеды затягивались в отсек, перемещались по нему, загружались в аппараты и опускались на стеллажи при помощи гидроприводов.
Управление торпедной стрельбой обеспечивалось ПУТС «Брест-671».
В боекомплект входило 18 торпед или до 36 мин (из них 12 — в ТА Торпедный аппарат). Постановка мин могла производиться при скорости до 6 узлов.
По сравнению с наиболее современным американским аналогом — советская субмарина имела более высокую подводную скорость (соответственно 29 и 33,5 узла), несколько большую глубину погружения и соизмеримый боекомплект. В то же время американская АЛЛ обладала меньшей шумностью и более совершенным гидроакустическим оборудованием, что обеспечивало ей лучшие поисковые возможности. Среди советских подводников бытовало мнение, что «если американская лодка обладает дальностью обнаружения 100 км, то наша — лишь 10 км». Вероятно, это было преувеличением, однако проблемы скрытности и повышения дальности обнаружения противника на лодках проекта "Victor I" в полной мере так и не удалось решить.
Три корабля ("К-314", "К-454" и "К-469"), предназначавшиеся для Тихоокеанского флота, были достроены по измененному проекту 671В. Отличие заключалось в оснащении их, помимо традиционных торпед, и ракето-торпедным комплексом «Вьюга», принятым на вооружение 4 августа 1969 г. Ракето-торпеда обеспечивала поражение подводных, надводных и береговых целей ядерным зарядом на дальностях 10—40 км. Ее пуск выполнялся из стандартных 533-мм торпедных аппаратов с глубины до 50 — 60 м.