Ряд работ по ракетам, существенно превосходящим «Фау-2», проводился под руководством С.П. Королева в ОКБ-1, входившем в те годы в НИИ-88. В 1946 г. были выполнены проектно-конструкторские проработки по воссозданию немецкого проекта крупногабаритной ракеты А-9. Более глубокий и оригинальный характер имела опытно-конструкторская работа (ОКР) по созданию ракеты Р-3 на дальность 3000 км, доведенная до стадии выпуска эскизного проекта. Ракета диаметром 2,8 м при длине 27 м и стартовом весе 65-70 т оснащалась головной частью весом 3 т, снаряжаемой обычным взрывчатым веществом. При этом, видимо, учитывались и ближайшие перспективы снижения веса ядерных зарядов по сравнению с РДС-1, примененным в первой атомной бомбе, весившей 4,5 т. Уже в 1952 г. при испытаниях на треть более легких бомб РДС-2 и РДС-3 мощность РДС-1 была превышена вдвое.

Хотя тема Р-3 не получила непосредственного развития, выполненные исследования послужили основой для конкретизации проработок по МБР, носивших до того несколько абстрактный характер. В частности, М.К. Тихомиров предложил создать межконтинентальную ракету в виде пакета из трех блоков на базе Р-3.

Следующим этапом стала тема Н-3 «Исследование перспектив создания ракет дальнего действия различных типов на дальность 5000-10000 км с массам и боевой части 1-10 т», проведенная по постановлению от 20 декабря 1950 г. В ходе этой работы, осуществлявшейся с привлечением широкой кооперации КБ и НИИ, были выявлены две важнейшие проблемы, критичные для МБР — создание мощных высокоимпульсных двигателей и обеспечение сохранности головной части при входе в атмосферу со скоростью, близкой к первой космической.

Принятым 13 февраля 1953 г. правительственным постановлением одновременно с опытно-конструкторскими работами по созданию ракет Р-5, Р-11 и Р-12 пунктом 2 была задана научно-исследовательская работа «Теоретические и экспериментальные исследования в обеспечение разработки управляемой двухступенчатой баллистической ракеты со следующими характеристиками:
- наибольшая прицельная дальность полета — не менее 8000 км;
- максимальное отклонение от цели при наибольшей дальности полета: по дальности — ±15 км (Вд <3,75 км); по боковому направлению — ±15 км (Вб<3,75км);
- вес боевой части — не менее 3 т;
- стартовая тяга по первой ступени — 180-200 т;
- стартовая тяга по второй ступени — 40-50 т;
- система управления — радиотехническая, помехозащищенная;
- старт ракеты — со стационарной пусковой установки.

Работа должна была закончиться изготовлением семи экспериментальных ракет в I кв. 1956 г. и проведением их летных испытаний в том же году.

Компоновка ракеты Р-7 (8К71) в конфигурации на начало летных испытаний.

По результатам проработок стартовая масса ракеты с полезной нагрузкой 3 т должна была составить 170 т. В качестве основной рассматривалась пакетная схема с центральным и четырьмя боковыми блоками, двигатели которых запускались одновременно при старте ракеты. На начальной стадии разработки предусматривалось перекачивание топлива в полете из боковых блоков в центральный, но затем от этой затеи отказались, так как она не сулила значительного энергетического прироста, но явно снижала надежность. Вместо этого решили увеличить запас топлива в центральном блоке в 2-3 раза по сравнению с боковыми. Для обеспечения статической устойчивости ракеты до отделения боковых блоков было признано целесообразным придать им коническую форму: при размещении в хвостовой части ракеты они играли роль своеобразной стабилизирующей юбки. Габариты каждого из блоков отвечали ограничениям, связанным с перевозкой по железной дороге. Ранее коническая форма ракет была предложена работавшими в СССР немецкими ракетчиками применительно к их проекту Р-12, а позднее реализована американцами в ракете средней дальности «Тор».

Оценивая принятую С.П. Королевым и его сотрудниками общую схему новой БР, следует помнить, что она прежде всего отвечала крайне актуальной в то время задаче скорейшего создания неотвратимого межконтинентального оружия. Как боевая ракета «семерка» имела скорее символическое значение, но как космический носитель она оказалась очень удачной. Ракеты-носители — специфические изделия, по отношению к которым критерии простоты и красоты не всегда гарантируют совершенство.

В августе 1953 г. на Семипалатинском полигоне успешно испытали в нештатном исполнении первую отечественную термоядерную бомбу РДС-6С мощностью 400 кт, что на порядок превысило соответствующий показатель ранее испытанных атомных бомб. Предполагалось, что для серийных зарядов можно будет увеличить мощность примерно до 1,0 Мт. Спустя пару месяцев заместитель председателя Совета Министров СССР В.М. Малышев сориентировал ракетчиков на корректировку проектного задания на разработку межконтинентальной ракеты под вдвое больший, чем ранее, вес заряда — 3 т. В дальнейшем суммарный вес заряда с автоматикой подрыва составил 3,8 т. Вес головной части превысил 5 т, что при неизменной размерности ракеты привело бы к снижению дальности до бесполезно малой величины — 5500 км. Проведенные к тому времени исследования показали, что даже при размещении ракетных комплексов в северных районах СССР для поражения даже наиболее близких промышленно развитых и густонаселенных северо-восточных районов США требуется дальность около 8000 км. В результате пришлось пересмотреть проект ракеты, утяжелив ее в 1,5 раза.

В воспоминаниях ветеранов ОКБ-1 можно встретить упреки в адрес ядерщиков в том, что те перезаложились с запасами на вес заряда, в результате чего ракета, получившая обозначение Р-7, оказалась переразмеренной и практически непригодной для боевого применения. Но дело в том, что ракетчиков ознакомили с характеристиками единственного реально существовавшего в Советском Союзе термоядерного заряда РДС-6С. В то время А.Д. Сахаров путем внесения ряда доработок в разрабатывавшийся по постановлению от 20 ноября 1953 г. заряд РДС-6СД (модификация РДС-6С) надеялся впятеро увеличить мощность по сравнению с уже испытанным вариантом. Однако последующие исследования не подтвердили этот оптимистический прогноз.

На практике для значительного увеличения мощности по сравнению с РДС-6С потребовалось реализовать принципиально новую, двухступенчатую физическую схему заряда, которая получила признание только в 1955 г. Соответствующий боеприпас РДС-37 испытали в ноябре того же года. На протяжении первых двух с половиной лет разработки «семерки» в нашей стране не было ничего лучшего, чем заряд типа РДС-6С.

Кроме того, даже при стартовом весе 170 т пакетная ракета не годилась для массового развертывания как боевое оружие. На практике реально созданная, пусть и переразмеренная, «семерка» стала основным космическим носителем как в СССР, так и в Российской Федерации.

Облик новой МБР в основном сформировался на совещании главных конструкторов в январе 1954 г., а поэтапный план основных работ согласовали в следующем месяце.