Tại Liên Xô vào cuối thập niên 50, các thiết kế của tàu vũ trụ có người lái đều được thực hiện bởi các kỹ sư tại cục thiết kế của Sergei Korolev. Korolev đã thiết kế tàu Vostok (Phương Đông) giúp Liên Xô đưa được người đầu tiên vào vũ trụ. Các nghiên cứu về các chuyến bay tiếp theo của Vostok để đưa người bay xung quanh Mặt Trăng bắt đầu vào năm 1959 dưới sự chỉ đạo của Tikhonravov. Lúc đó người ta thấy những chuyến bay như vậy cần sử dụng các thiết bị phóng dựa trên loại tên lửa đạn đạo R-7 của Korolev. Do loại tên lửa này không thể mang hơn 6 tấn tải trọng lên quỹ đạo, một tàu vũ trụ để bay quanh Mặt Trăng như vậy phải được lắp ghép trên quỹ đạo của Trái Đất qua các lần phóng tên lửa R-7. Như vậy, cần hoàn thiện kỹ thuật tiếp cận, kết nối và tiếp nhiên liệu giữa các tầng tên lửa trên quỹ đạo. Trong những năm 1960 – 1961, các nghiên cứu này, được đặt tên là "L1", được mở rộng bao gồm việc tiếp cận, kết nối của một vài tầng, và việc sử dụng tay máy để lắp ráp các tầng này.

Cùng lúc đó một bộ phận khác trong cục thiết kế của Korolev đang nghiên cứu về cấu hình của một phương tiện trở về Trái Đất cho các chuyến bay tiếp theo của Vostok. Phụ trách vấn đề này là bộ phận 11, và các ý tưởng thì không thiếu. Năm 1959, thiết kế trưởng Tsybin cùng với Solovyev của bộ phận 9 đưa ra thiết kế tàu vũ trụ có cánh với tỷ số hypersonic lift-to-drag trên 1.0. Prugnikov của bộ phận 8 và Feoktistov của bộ phận 9 đề nghị sự phát triển một khoang đạn đạo gồm các dạng khác nhau của các "hình cầu bị chia đoạn". Korolev đã đề nghị viện khí động lực học/thủy động lực học trung ương liên bang (TsAGI) nghiên cứu mọi cấu hình khả thi. Trong một bức thư A I Makarevskiy gởi cho Korolev vào ngày 9 tháng 9 năm 1959, TsAGI đưa ra sơ đồ nghiên cứu của họ. Công việc được hứa hẹn sẽ hoàn thành vào cuối năm 1959. Để khai thác cơ sở dữ liệu này, Reshetin đã triển khai một nhóm đề án thực hiện việc nghiên cứu một cách thỏa hiệp giữa các cấu hình khác nhau vào đầu năm 1960. Nó được nâng lên thành một bộ phận đề án dưới sự lãnh đạo của Timchenko vào năm 1961.

Các nghiên cứu năm 1960 xem xét các dạng cấu hình khác nhau như khoang đạn đạo, phối hợp thêm cánh của các tàu bay thông thường, và các dạng lai tạo không có đuôi. Mỗi cấu hình này có một nghiên cứu hoàn thiện về mặt lý thuyết trên các mặt khí động lực học, quỹ đạo bay, khối lượng, yêu cầu bảo vệ về nhiệt và những cái khác. Cuối năm 1960 người ta thấy rằng các thiết kế sử dụng cánh là quá nặng để có thể phóng bởi R-7 và trong một vài trường hợp gây ra khó khăn trong việc bảo vệ nhiệt khi trở về bầu khí quyển, những điều này nằm ngoài khả năng công nghệ lúc đó. Các nghiên cứu này thuộc loại phức tạp nhất từng được thực hiện, và Korolev đã nhận được sự hỗ trợ của các nhà khí động lực học tài năng nhất Liên Xô. Nổi bật là Likhushin tại NII-1, và những người bỏ đi khi Chelomei tiếp quản cục của họ, Myasishchyev tại TsAGI, và Tsybin tại TII-88. Năm 1962, hình dáng "đèn pha ôtô" được lựa chọn: phần đầu bán cầu nối với một hình nón cụt với góc nghiêng nhỏ (7 độ).

Bộ phận 11 đã hình thành ý tưởng hệ thống các module để giảm khối lượng khi trở về Trái Đất vào năm 1960. Thiết kế đề nghị của bộ phận 9 có 2 module giống như Apollo. Các nghiên cứu liên tục các năm 1961 – 1962 đưa tới kết luận là Soyuz nên gồm 4 phần. Từ trước tới sau gồm module sinh sống, module tiếp đất, module thiết bị - sự đẩy và một module phía sau có thể tách rời ra chứa các thiết bị điện tử phục vụ việc tiếp cận trong trên quỹ đạo của Trái Đất (nó sẽ được tách ra sau khi hoàn thành sự ghép nối cuối cùng trước khi chuyển sang quỹ đạo của Mặt Trăng. Tới thập niên 90, nhiều nhà chuyên môn của phương Tây vẫn xác định nhầm bộ phận có trong những mô hình ban đầu của Soyuz này là một thùng nhiên liệu).

Cấu hình này được lựa chọn sau những sự lo lắng đáng kể của các kỹ sư. Để kéo khoang tàu khỏi tên lửa trong trường hợp khẩn cấp, việc đặt khoang ở đầu của tàu là lý tưởng. Nhưng với khái niệm module sinh sống, cần có một cửa đi qua lớp bảo vệ nhiệt để nối 2 khu vực sinh hoạt với nhau. Các kỹ sư của Korolev không thể chấp nhận được ý tưởng xâm phạm sự nguyên vẹn của lớp bảo vệ vỏ tàu. Sau đó họ tham gia vào một cuộc chiến quyết liệt với các cục thiết kế khác khi các thiết kế của đối thủ - Soyuz VI của Kozlov và TKS của Chelomei cũng sử dụng các cửa này.

Đã có những ý kiến là thiết kế Soyuz của Korolev dựa trên thiết kế Apollo của General Electric. Tuy nhiên các nghiên cứu về niên đại của 2 đề án này chỉ ra là các công việc phát triển đầu tiên đã được thực hiện hầu như đồng thời. Độc lập với General Electric, Korolev đã đi đến mô hình tàu vũ trụ gồm nhiều phần và khái niệm khoang tàu. Tuy nhiên có nhiều thời gian để kết hợp các đặc điểm thiết kế của General Electric vào trong thiết kế của Soyuz trước khi nó được hoàn thành.

Ngày 7 tháng 5 năm 1963 Korolev đã ký vào bản đề án dự thảo cuối cùng của Soyuz. Về cơ bản nó gồm một tàu có người lái bay xung quanh Mặt Trăng Soyuz A (7K). Nó sẽ được đẩy xung quanh Mặt Trăng bởi một tầng tên lửa Soyuz B (9K), và tầng này được cung cấp nhiên liệu bởi tàu chứa nhiên liệu Soyuz V (11K). Tuy nhiên Korolev hiểu rằng nguồn tài trợ cho một dự án ở cấp độ này chỉ có thể kiếm được từ bộ quốc phòng. Do đó đề án dự thảo của ông đưa ra thêm 2 sự biến đổi của Soyuz 7K: tàu đánh chặn không gian Soyuz-P (Perekhvatchik – đánh chặn) và tàu điều khiển do thám Soyuz-R (Razvedki – tình báo). Soyuz-P sử dụng động cơ tên lửa Soyuz B để đẩy nó tới đánh chặn ở quỹ đạo có độ cao tới 6000 km.

Đề án phác thảo của Soyuz được trình lên hội đồng chuyên môn ngày 20 tháng 3 năm 1963. Tuy nhiên chỉ có các ứng dụng dò thám và đánh chặn của Soyuz được thông hiểu và ủng hộ bởi không quân VVS và binh chủng tên lửa RVSN. Korolev muốn tập trung vào các sứ mệnh không gian có người lái và tự cảm thấy không có thời gian làm việc với loại Soyuz quân sự. Vào năm 1963, OKB – 1 của ông đang làm việc với chiếc 3KV Voskhod chở 3 người, 3KD Voskhod-2 chở 2 người, thiết bị phóng rất lớn N1 11A52, các thiết bị phóng nhỏ hơn dựa vào nó 11A53 (N11) và 11A54 (N111) cùng một số lượng lớn các tàu vũ trụ không người lái. Do đó OKB – 1 được quyết định chỉ tập trung vào việc phát triển tàu 7K (Soyuz A), còn việc phát triển 9K (Soyuz B) và 11K (Soyuz V) được chuyển cho các cục thiết kế khác. Trong khi đó đề án quân sự Soyuz P và Soyuz R được ký hợp đồng phụ với Filial 3, một bộ phận con của OKB – 1 đặt tại Samara.

Tuy nhiên, trong khi Filial 3 nhận được ngân sách để phát triển phiên bản Soyuz quân sự thì Soyuz A của ông không nhận đủ sự hỗ trợ tài chính. Kế hoạch 7K-9K-11K cần tới 5 lần ghép nối tự động mới thành công. Điều này tỏ ra là bất khả thi vào thời điểm đó. Thay vào đó kế hoạch lên Mặt Trăng của Vladimir Nikolayevich Chelomei lại được ưu tiên hơn. Chelomei là một đối thủ tinh quái của Korolev. Tàu một người lái LK-1 của ông ta, dự định đi vào quỹ đạo của Mặt Trăng bởi một lần phóng duy nhất bằng tên lửa UR-500K của ông ta, được quan tâm nhiều hơn. Chelomei đưa ra đề án chi tiết LK-1 vào ngày 3 tháng 8 năm 1964, cùng trong ngày đó Liên Xô ban hành một nghị định lịch sử đề ra kế hoạch để đánh bại Mỹ trong cuộc đua lên cung trăng. Theo nghị định này Chelomei sẽ phát triển LK-1 để đưa người đi qua quỹ đạo Mặt Trăng trong khi Korolev phát triển N1-L3 để hạ cánh lên bề mặt Mặt Trăng. Điều này có nghĩa là kế hoạch 7K-9K-11K bị hủy bỏ.

Ngày 14 tháng 10 năm 1964, Khrushchev thôi nắm quyền lực và Chelomei cũng mất người đỡ đầu. Ngay sau đó, Korolev quay trở lại với đề án Soyuz A với phiên bản 7K-OK bay trên quỹ đạo Trái Đất, là nền tảng cho các thiết kế sau này của tàu Soyuz.