Постановлением СМ № 386-179 от 24 апреля 1962 года было принято решение о начале разработке ракеты Р-27 комплекса Д-5. Ей планировалось вооружить проектируемые ПЛАРБ Атомная подводная лодка с баллистическими ракетами Yankee I.
Комплекс Д-5 проектировался универсальным (впервые мире). Он включал в себя баллистическую ракету Р-27 для поражения наземных стационарных объектов и баллистическую ракету Р-27К , оснащенную пассивной радиолокационной головкой самонаведения. БР Баллистическая ракета Р-27К служила для поражения надводных кораблей и их соединений.
В качестве топлива использовались азотистый тетраксид (AT) + несимметричный деметилгидразин (НДМГ). Новшеством была заводская заправка ракет компонентами топлива с последующей ампулизацией ракет. Это позволило существенно увеличить сроки хранения ракет в шахтах подводной лодки и улучшить их эксплуатационные характеристики. Кроме того такое решение позволило отказаться от устройств заправки и хранения топлива в местах эксплуатации ракет, то есть на базах ПЛ Подводная лодка. Естественно это упростило и удешевило эксплуатацию ракет комплекса Д-5.
Корпус ракеты , выполненный из сплава Амг6, был облегчен за счет применения метода глубокого химического фрезерования в виде «вафельного» полотна. Между баком горючего и баком окислителя помещалось двухслойное разделяющее днище. Такое решение позволило отказаться от межбакового отсека и тем самым сократить габариты ракеты. Двигатель был двухблочный. Основной блок с тягой 23 т, размещался в баке горючего. Рулевой с тягой в 3 т размещался на днище бака с горючим. На БР Баллистическая ракета Р-27 впервые установлена инерциальная система управления, чувствительные элементы которой размещались на гиростабилизированной платформе.
Очень оригинально была размещена аппаратура управления. Приборного отсека как такого не было. Вся электроника управления размещалась в герметизированном объеме, образованном полусферическим верхним днищем бака окислителя. В нижней части ракеты размещался переходник, предназначенный для стыковки ракеты с пусковой установкой. Кроме того он образовывал воздушный колокол, снижающий пик давления при запуске двигателя в затопленной водой шахте. Пусковая установка принципиально новой схемы. Она включала в себя пусковой стол и размещаемые на ракете резиново-металлические амортизаторы (РМА). Ракета была без стабилизаторов, что в сочетании с РМА позволило уменьшить диаметр шахты. Корабельная система повседневного и предстартового обслуживания ракеты обеспечивала автоматизированное дистанционное управление и контроль за состоянием систем с единого пульта, а автоматизированное централизованное управление предстартовой подготовкой, стартом ракет, а также проведение комплексных регламентных проверок всех ракет осуществлялось с пульта управления ракетным оружием (ПУРО). Исходные данные для стрельбы вырабатывала боевая информационно-управляющая система «Туча».
Испытания комплекса Д-5 начались осенью 1965 года. Вначале были проведены бросковые испытания натурных макетов 4К-10 ракеты Р-27 с плавстенда ПСД-5. В сентябре было проведено два запуска. В ноябре 1963 года ЦКБ Центральное конструкторское бюро-16 (в последствии ЦПБ "Волна") передало на завод № 444 проектную документацию на переоборудование опытной подводной лодки проекта 613Д5 в проект 613Д7 для испытаний макетов ракет Р-27. Лодка вступила в строй 23 декабря 1965 года. В январе 1967 года начались испытания макетов 4К-10 ракет Р-27 с подводной лодки проекта 613Д5. В ходе испытаний проверялось поведение ракеты при выходе из-под воды на начальный участок воздушной траектории на подводном ходу лодки и функционирование всех систем, обслуживающих ракету. 18 января был произведён первый пуск макета с ПЛ Подводная лодка, движущейся на глубине 45 м со скоростью ПЛ Подводная лодка 3 узла. При этом волнение моря достигало 3- баллов, а скорость ветра 8 баллов. Всего было проведено 6 пусков. Последний был произведён 10 августа 1967 года. Затем на Северном флоте начались полномасштабные лётные испытания на головной ПЛАРБ Атомная подводная лодка с баллистическими ракетами пр.667А К-137 (впоследствии преименована в "Ленинец"). Запуск ракет осуществлялся с глубины 40-50 м.время предстартовой подготовки составило около 10 мин, интервал стрельбы между пусками ракет - 8 с (при залповой стрельбе). При стрельбе на максимальную дальность время работы двигателя ракеты составляло 128,5 секунд, высота конца активного участка 120 км и максимальная высота траектории 620 км. Всего было произведено шесть пусков. По результатам испытания
13 марта 1968 года вышло постановление СМ № 162-164 от по которому комплекс Д-5 с ракетой Р-27 был принят на вооружение ВМФ Военно-морской флот.
Парралельно с проектированием БР Баллистическая ракета Р-27 велась разработки её модификации Р-27К с самонаводящейся боевой частью. Она предназначалась для поражения надводных целей. В отличие от Р-27 она была оснащена небольшой второй ступенью. Стартовый вес ракеты составил 13.25 т, длина около 9 м, диаметр 1,5 м. Максимальная дальность стрельбы 900 км. Головная часть моноблочная. Управление на пассивном участке траектории велось но информации пассивного радиолокационного визирующего устройства, обрабатываемой в бортовой цифровой вычислительной системе. Наведение боевого блока на подвижные цели осуществлялось по их радиолокационному излучению двукратным включением двигательной установки второй ступени на внеатмосферном участке полета. В 1974 году ракеты Р27К были приняты в опытную эксплуатацию. Ими была вооружена только одна АПЛ Атомная подводная лодка.
Через три года (10 июня 1971) после принятия комплекса Д-5 на вооружение вышло остановление СМ о его модернизации. Согласно ТТЗ Тактико-техническое задание разрабатывался вариант ракеты с тремя боеголовками, которые, впрочем не имели сиситемы индивидуального наведения. При этом дальность полёта была такой же как и у Р-27 или с моноблочной головной часть, но при этом дальность стрельбы увеличивалась на 20% а точность на 15%. На ракете был установлен двигатель с повышеной силой тяги и более совершенной системой управления. Комплекс получил наименование Д-5У, а ракета - Р-27У. Пуски с подводной лодки проводились с сентября 1972 года по август 1973 года. Старты происходили с глубины 42-48 м, при волнении моря до 5 баллов и скорости лодки от 3,7 до 4,2 узлов. Всего было произведено 16 пусков, все из которых были признаны удачными. Постановлением СМ № 8-5 от 4 января 1974 года комплекс Д-5У с ракетой Р-27У, оснащенной моноблочной или тремя разделяющимися боеголовками, был принят на вооружение. Комплекс Д-2У состоял на вооружении до 1990 года. Всего за это время был произведен 161 пуск ракет Р-27У, из которых 150 было успешных.