С учетом результатов выполненных проработок по ракете «ДАР» постановлением от 20 апреля 1954 г. была задана разработка оснащенной ядерным зарядом ракеты Р-5М (8К51) с дальностью 1200 км, обеспечивающей точность попадания в пределах 6 км по дальности и 4 км в боковом направлении.

При переходе к новому боевому оснащению конструкция ракеты претерпела ряд значительных изменений. Если корпус обычной головной части мог почти полностью заполняться взрывчатым веществом практически независимо от его обводов, то ядерный заряд и автоматика, обеспечивающая его задействование, представляли собой устройства вполне определенных размеров и конфигурации, вокруг которых надо было сформировать обводы головной части. Кроме того, по условиям срабатывания новой «начинки» требовалось вдвое уменьшить скорость удара о грунт.

Пришлось отказаться от скоростных обводов головной части Р-5, вернувшись к формам, близким к реализованным на Р-2. В результате длина ракеты уменьшилась с 22,115 м у Р-5 до 20,747 м у Р-5М. Для повышения устойчивости аэродинамические рули установили не непосредственно на корпусе хвостового отсека, а на небольших пилонах, из-за чего размах оперения увеличился с 2,640 до 3,452 м.

		Компоновка баллистической ракеты Р-5М . 1 — головная часть; 2 — пневмотолкатель; 3 — бак окислителя; 4 — приборный отсек; 5 — трубопровод окислителя; 6 — бак горючего; 7 — бак перекиси водорода; 8 — турбонасосный агрегат; 9 — камера сгорания ЖРД; 10 — хвостовой отсек; 11 — пилон с воздушным рулем; 12 — газоструйный руль.
Баллистическая ракета Р-5М.

Несмотря на снижение веса головной части с 1425 до 1300 кг, ракета немного потяжелела (с 28,57 до 28,61 т), так как, учитывая огромную разрушительную силу заряда, пришлось провести целый комплекс мероприятий, направленных на повышение надежности. Приборы системы управления вернули в межбаковый отсек, подальше от двигателя. В хвосте ракеты остались только относительно неприхотливые батареи и главный распределитель (коммутатор связи приборов с кабелями). Блочная компоновка приборов позволила проводить их проверку и отладку до установки на ракету. Было реализовано дублирование основных цепей, использованы два независимых канала стабилизации. Вместо четырех рулевых машинок установили шесть — таким образом, что выход одной из них из строя не приводил к аварии. Большинство агрегатов и систем испытывались в условиях воздействия нагрузок, намного превышающих полетные. Более того, на предварительных этапах летных испытаний в полете специально отключали некоторые системы, чтобы убедиться, что их отказ не приведет к аварии. На одной из ракет выключили преобразователь питания одного из каналов автомата стабилизации, на другой — потенциометр обратной связи с рулевой машинкой, на третьей — рулевую машинку от одного из газовых рулей. Все три ракеты слетали успешно.

Для экономии ресурса бортовых батарей питание аппаратуры при предстартовой подготовке обеспечивалось от наземных средств комплекса. Как и на исходной Р-5, в процессе предстартовой подготовки почти до фактического отрыва ракеты продолжалась подпитка бака окислителя, компенсирующая испарение кислорода.

Были проведены и доработки двигателя, получившего наименование РД-103М (изделие 8Д71). При этом тяга увеличилась на тонну, достигнув 44 т у земли и 51 т в пустотных условиях.