Разумеется, все испытательные пуски Р-5М, за единственным исключением, осуществлялись без натурного ядерного заряда. В январе-июле 1955 г. провели заводские и летно-конструкторские испытания, в ходе которых 13 из 14 пусков завершились успешно. Попутно был выявлен флаттер аэродинамических рулей, который устранили, несколько изменив их конструкцию и повысив жесткость кинематики привода. В августе-ноябре выполнили еще 10 пристрелочных пусков летно-конструкторских испытаний на дальности 1165-1190 км, в том числе восемь успешных. С 11 января 1956 г. начался зачетный этап.

После четырех пусков с макетными головными частями, 2 февраля состоялось историческое событие - первый в мире пуск баллистической ракеты с подрывом реального ядерного боевого заряда. В ряде воспоминаний утверждалось, что инициатором этого небезопасного эксперимента стал лично министр обороны Г.К. Жуков. Полет ракеты, запущенной на максимальную дальность, прошел вполне успешно и завершился наземным ядерным взрывом. Ракетчики поздравляли друг друга. Вернувшись в Москву, С.П. Королев под большим секретом сообщил своим ближайшим соратникам о том, что мощность ядерного взрыва составила 80 кт - в 4 раза больше, чем в Хиросиме!

Однако на самом деле ядерный заряд головной части отработал намного скромнее. Летчики самолетов Ил-28, направленных в район взрыва, доставили пробы воздуха. Уровень радиоактивности соответствовал фоновому или немного превышал его. Оказалось, что мощность взрыва соответствовала лишь одной сотой номинальной мощности бомбы РДС-4.

Объяснение случившегося конфуза приведено в публикации газеты «Красная звезда» от 5 августа 1995 г.: «В феврале 1956 г. впервые осуществлен запуск ракеты с ядерной боеголовкой - королевской Р-5М. У нее на морозе выключился обогрев головной части, надежно сработала только автоматика подрыва. Взрыв получился с большим недобором мощности - в режиме так называющего «тлеющего заряда».

Действительно, перед пуском в Поволжье стояли сильные морозы. Судя по воспоминаниям Б.Е. Чертока, у ядерщиков барахлила «нейтронная пушка». В книге Я. Голованова «Королев» также сообщается о том, что при предстартовой подготовке в корпусе головной части было зафиксировано падение температуры, которое в дальнейшем приостановили. Много позднее начальник полигона В.И. Вознюк вспоминал о том, что один из его офицеров обнаружил выпавший штекер разъема электрообогрева головной части и вставил его на место. Об этой «находке» промолчали. Неизбежное расследование сказалось бы самым губительным образом как на судьбах людей, так и на ходе работ. Члены Государственной комиссии во главе с Г.М. Зерновым прикинули степень охлаждения заряда и сочли ее допустимой. Видимо, сказалось и стремление не задерживать пуск и своевременно отрапортовать высшему руководству - в Москве шел XX съезд Партии.

Участвовал ли Королев своими доверительными рассказами о невероятно мощном взрыве в заранее скоординированном блефе или сам не обладал всей полнотой информации - неизвестно, но последующий ход освоения Р-5М указывает на то, что высшее руководство сочло нештатное срабатывание ядерного заряда досадной, но несущественной мелочью. Больше пуски Р-5М с натурным ядерным зарядом не производились. Правительство своим постановлением от 21 июня 1956 г. приняло ракету Р-5М на вооружение, определив при этом диапазон дальностей от 500 до 1200 км, а показатели точности по дальности и в боковом направлении - величинами 8,4 и 4,8 км. Поскольку последние характеристики не соответствовали заданным в 1954 г., правительство предписывало довести их до требуемого уровня к 1 июля 1957 г., а еще через год улучшить эти показатели до 4 и 3 км соответственно.

Намного раньше, еще 21 октября 1954 г., правительство приняло постановление о серийном производстве Р-5М, которое развернули на днепропетровском заводе №586, ранее освоившем ракеты Р-1 и Р-2. В 1956 г. там было выпущено 40 ракет, а еще ранее - пять ракет. В дальнейшем ежегодный выпуск довели до 200 ракет. Производство продолжалось до 1959 г., когда завод изготовил 25 изделий.