По результатам выполненных ЦКБ Центральное конструкторское бюро-18 проработок в октябре 1954 года было принято совместное решение ВМФ Военно-морской флот и МСП о разработке технического проекта "Foxtrot" океанской подводной лодки большого водоизмещения, представлявшего собой дальнейшее развитие проекта 611. В январе 1955 года технический проект "Foxtrot" был разработан, а в июле того же года утвержден Постановлением СМ СССР.
В августе 1955 года, уже после того, как начался выпуск рабочих чертежей, было принято совместное решение ВМФ Военно-морской флот и МСП об увеличении глубины погружения путем применения новой корпусной стали АК Cargo Ship (сухогрузный транспорт)-25 и замены оборудования, подвергающегося забортному давлению. Одновременно предлагалось оснастить ПЛ Подводная лодка новейшими средствами навигации, наблюдения и связи. Кроме того, было решено реализовать в новом проекте около 170 предложений по улучшению отдельных лодочных конструкций, учитывающих опыт постройки и эксплуатации ПЛ Подводная лодка пр.611.
Скорость лодок проекта 611 в режиме РДП Устройство для работы дизелей под водой (шнорхель) была около 6 узлов, что считалось недостаточным. Чтобы увеличить скорость, нужно было повысить мощность дизелей. Для выяснения возможности увеличения мощности дизелей, на ПЛ Подводная лодка «Б-76» пр.611 (зав-№307) была проведена опытная проверка работы двигателей в режиме РДП Устройство для работы дизелей под водой (шнорхель) и системы общесудовой и батарейной вентиляции. Проверка показала возможность увеличения скорости лодки под РДП Устройство для работы дизелей под водой (шнорхель) до 10 узлов и зарядки аккумуляторной батареи в этом режиме, начиная с I ступени.
Полученные результаты были реализованы на ПЛ Подводная лодка "Foxtrot", что позволило обеспечить:
некоторое улучшение условий обитаемости корабля. Так, например, были применены установки кондиционирования воздуха типа «К-5», допускающие работу как в режиме охлаждения, так и в режиме нагрева, установлено специальное устройство для удаления камбузных отходов (ДУК) и т.д.
увеличение запаса средств регенерации;
улучшение условий обслуживания дизелей, работающих в режиме РДП Устройство для работы дизелей под водой (шнорхель), путем устройства в дизельном отсеке звукоизолирующей выгородки, в которой размещался пост управления дизелей;
установку новой гидролокационной станции «Арктика-М», взамен станции «Тамир». Проектом предусматривалась также установка более современных средств радиосвязи и радиолокации;
возможность использования поступивших на вооружение новых торпед «КИТ» и СЭТ, а также торпед типа 53-51, 53-39;
вертикальный и кормовые горизонтальные рули, кроме гидравлического и ручного, получили аварийный электрический привод;
установку вместо стабилизатора «Спрут» стабилизатора глубины «Мрамор», который осуществлял стабилизацию глубины как путем автоматического управления плавучестью лодки, так и путем автоматического управления горизонтальными рулями.
В период государственных испытаний максимальная надводная скорость была получена на 0,28 узла, а максимальная подводная — на 0,5 узла выше спецификационной. Превышены были и спвцификационные надводные дальности плавания. Превышение скоростей и дальностей плавания объяснялось уменьшением высоты ограждений рубки на 800 мм по сравнению с техническим проектом, высоким коэффициентом взаимодействия винтов и корпуса и пониженным удельным расходом топлива по сравнению с расчетными данными.
Модернизационные мероприятия, принимавшиеся в течение ряда лет по совместным решения ВМФ Военно-морской флот и промышленности, привели не только к полному израсходованию запаса водоизмещения на модернизацию, но и к снижению спецификационных значений начальной поперечной остойчивости в подводном положении до 1,18 метра. Некоторое повышение величины начальной остойчивости дало проведенное на кораблях понижение центра тяжести твердого балласта путем перенесения части его, расположенной на стрингерах балластных цистерн, вниз, в топливные цистерны. При этом запас топлива уменьшился на 5 тонн.
Для радикального решения вопроса о повышении остойчивости и частичного восстановления запаса на модернизацию по предложению ЦКБ Центральное конструкторское бюро-18 в апреле 1964 года было принято совместное решение, которым предусматривалась замена двухтактных дизелей 37Д на четырехтактные дизели 2Д42 и аккумуляторной батареи типа 46СУ на батарею повышенной емкости типа 48СМ. Двигатели 2Д42 Коломенского завода имели газотурбинный наддув, развивали мощность 1900 л.с. При 500 об/мин и охлаждались пресной водой. Они поставлялись на корабль совместно с системой дистанционного управления ДАУ-2Д42 и были на 8 тонн легче дизеля 37Д. Реализация предложения потребовала полной перекомпоновки оборудования и цистерн в V отсеке, а также частичных изменений в других отсеках.
В результате проделанной работы начальная метацентрическая высота лодки в подводном положении стала равной 0,24 метра. Кроме повышения метацентрической высоты и частичного восстановления запаса на модернизацию, замена дизелей привела к уменьшению воздушной шумности в V отсеке, что в сочетании с дистанционным управлением существенно улучшило обитаемость этого отсека, а благодаря меньшему удельному расходу топлива новых дизелей по сравнению с дизелями 37Д увеличилась дальность плаваний под дизелями на всех режимах работы.
В 1965 году по просьбе Индии СССР согласился продать ей подводные лодки пр.641. При этом индийская сторона просила лишь дооборудовать лодки некоторыми устройствами, учитывающими специфические условия эксплуатации ПЛ Подводная лодка в южных широтах. После достижения соответствующей договоренности в октябре 1965 года ЦКБ Центральное конструкторское бюро-18 приступило к разработке технического проекта И641 ПЛ Подводная лодка для Индии на основе пр.641. Состав технических средств и вооружения в проекте И641, в основном остался тем же, что и в пр.641, за исключением аккумуляторной батареи (осталась 46СУ) и некоторых радиоэлектронных средств. Кроме того, за счет ликвидации двух кают в IV отсеке была размещена установка кондиционирования воздуха типа СПХМ-ФУ-90, хорошо себя оправдавшая на других ПЛ Подводная лодка. Был увеличен запас пресной воды. Все оборудование изготовлялось в экспортном тропическом исполнении, В дальнейшем ПЛ Подводная лодка пр. И641 хорошо себя зарекомендовали в условиях эксплуатации в южных широтах.