Loại tàu này được phát triển theo thiết kế có khả năng mang và sử dụng hệ thống tên lửa D-2 và các tên lửa R-13, nó đã được duyệt vào ngày 26 tháng 08 năm 1956. Các mẫu thiết kế được thực hiện từ tháng 09 năm 1956 và các dự án về cơ khí (kỹ thuật) để sử dụng cho loại tàu này đã được hoàn thành trong quý 1 năm 1957.

chức vụ người đứng đầu dự án thiết kế Đề án 658 ban đầu được giao cho kỹ sư trưởng của OKB-18 (sau trở thành Viện thiết kế hàng hải trung ương Rubin) là P.Z. Golosovskiy. Vào tháng 02 năm 1958 nó được chuyển giao cho I.V. Mikhaylov người dã thay cho S.N. Kovalev vào tháng 10 năm 1958. Những người đại diện cho người đứng đầu dự án thiết kế được chọn bởi I.D. Spasskiy.

Proyekta 658 được thiết kế trên nền tảng của Đề án 627 hay còn gọi là lớp November (theo NATO) vốn là lớp tàu ngầm hạt nhân đầu tiên của Liên Xô, được thay đổi và bổ sung thêm các ngăn chứa tên lửa của Đề án 629. Ngoài ra Đề án 658 còn có một đuôi tàu nhỏ nằm ngang giúp cho việc di chuyển được tốt hơn, và động cơ điện-hơi nước được tích hợp thêm bộ phận điều khiển khiến nó trở nên đáng tin hơn cho việc chạy với tốc độ cao khi lặn cũng như giảm tiếng ồn. Hệ thống tên lửa D-2 có thể chứa 3 tên lửa R-13 được đặc dọc ngay sau bánh lái. Hệ thống tên lửa này yêu cầu tàu phải nổi lên trước khi bắn dù vậy cả ba tên lửa có thể bắn chỉ sau 12 phút khi nổi lên.