Nhờ những thành công trong phát triển tên lửa 10Kh, Cục thiết kế đặc biệt chuyên thiết kế các phương tiện bay không người lái (OKB-52) đã được thành lập. Năm 1955, Chelomey được chỉ định làm thiết kế trưởng của OKB-52, tại OKB-52, ông tiếp tục công việc phát triển các loại tên lửa hành trình.

Chelomey tiếp tục công việc nghiên cứu và nhận bằng tiến sĩ khoa học tại Đại học Kỹ thuật Quốc gia Moskva Bauman. Sau khi bảo vệ luận án năm 1951, ông trở thành giáo sư của trường từ năm 1952.

Năm 1958, OKB-52 đề xuất nghiên cứu chế tạo tên lửa đạn đạo liên lục địa có nhiều tầng. Mặc dù thiết kế tên lửa UR-200 đã không được lựa chon, thay vào đó là tên lửa R-36 của Mikhail Yangel (Kí hiệu NATO SS-9 Scarp). Nhưng thiết kế tên lửa UR-100 đã được duyệt.