Это была первая ракета, предназначенная для третьего, совместного, этапа летных испытаний. Ракеты третьего этапа доработали в части исключения неудобного для доступа межбакового отсека центрального блока, всю аппаратуру переместили в передний отсек над баком окислителя. Кроме того, увеличили тягу рулевого двигателя, установили системы одновременного опорожнения баков не только на центральном, но и на боковых блоках, изменили условия наддува баков. Для исключения опасных вибраций ввели демпферы в трубопроводах магистралей окислителя.

Половину из 16 предназначенных для испытаний третьего этапа ракет изготовили на серийном заводе №1 в Куйбышеве (ныне — завод «Прогресс»), ранее выпускавшем бомбардировщики Ту-16. Привлечение этого завода для выпуска ракет, а также других предприятий авиационной промышленности к серийному производству двигателей, аппаратуры системы управления и прочих комплектующих для «семерки» было определено постановлениями правительства от 11 января и 12 сентября 1957 г., а также от 2 февраля 1958 г.

Первая из ракет серийного завода — 8К71 №041081 — 17 февраля 1959 г. из-за сбоев в работе наземной аппаратуры системы радиоуправления пришла на Камчатку с промахом 40 км. По причине неправильной настройки этой аппаратуры перелетела цель подлипкинская ракета №ИЗ-18, запущенная 25 марта. В последний день месяца вновь подвел мультипликатор насоса перекиси водорода, разрушившийся на 279-й секунде полета. Ракета №ИЗ-20 упала в район Оймякона, не долетев до цели более 1200 км.

Успешный полет запущенной в День Победы ракеты №ИЗ-21 (отклонения от цели не превысили 7 км) стал хорошим праздничным подарком. Но при пуске в последний день месяца ракета 8К71 №ИЗ-22 ушла не то что «за бугор», а прямо-таки за рубеж! Команда на выключение двигателя не прошла, и ракета, перелетев лишних 2000 км, попала в район, расположенный в 700 км к югу от принадлежащих США Алеутских островов. Столь же лихо закончился пуск 9 июня ракеты 8К71 №ИЗ-23, которая из-за отказа реле выключения двигателя упала с перелетом 2175 км.

Проведенные 18 и 30 июля, 14 августа и 18 сентября пуски ракет №ИЗ-24,  041082, ИЗ-25 и И1-Т прошли успешно, отклонения от цели не превысили 6 км. Началась подготовка к пуску на максимальную дальность — 8000 км по трассе протяженностью 8673 км, выходящей за пределы территории СССР и заканчивающейся в Тихом океане. Для обеспечения пусков по «Акватории» была сформирована так называемая «Четвертая тихоокеанская гидрографическая экспедиция» в составе специально переоборудованных углерудовозов «Сибирь», «Сахалин», «Сучан» и судна управления и связи «Чукотка».

Район падения находился в редко посещаемой северной части Тихого океана, так что какие-либо специальные меры по закрытию его для судоходства не предусматривались. Пуски по «Акватории», выполненные 22 и 25 октября, прошли вполне успешно. Отклонения головных частей ракет №267432 и №267434 не превысили 7 км.

До завершения испытаний со 2 по 27 ноября провели три пуска по Камчатке. Первый и последний пуски ракет №267431 и №267433 прошли успешно, но 11 ноября ракета 8К71 №И2-1Т не долетела до цели 299 км из-за аварии, связанной с кавитацией в насосе окислителя.

В целом, в ходе испытаний третьего этапа из 16 пусков, проведенных с 24 декабря 1958 г. по 27 ноября следующего года, восемь ракет достигли цели с отклонениями, не превышающими 6 км, две перелетели почти на 2000 км, одна не долетела из-за неисправности с наддувом баков, одна перелетела по вине системы радиоуправления, а в трех пусках подвели двигатели. Несомненно, это был большой успех по сравнению с предшествующими этапами испытаний.

20 января 1960 г. правительственным постановлением ракета Р-7 была принята на вооружение. В соответствии с результатами испытаний точность попаданий на полигонную дальность была определена величиной ±4 км, что в пересчете на условия пуска по реальным целям с боевой стартовой позиции соответствовало величине ±10 км (для 90% ракет). Максимальная дальность в зависимости от азимута стрельбы составляла от 8300 до 8800 км, минимальная - от 3500 до 4000 км.

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

Но еще 27 декабря 1959 г. пуском ракеты №И1-1 начались летные испытания усовершенствованной «семерки» — ракеты Р-7А (изделия 8К74).

Исходный вариант «семерки», спроектированный под единственный в то время очень тяжелый термоядерный заряд, обеспечивал минимально приемлемое значение максимальной дальности — 8000 км, что позволяло поражать северо-восточные районы США только с боевых стартовых станций, размещенных в приполярных районах нашей страны. Для расширения боевых возможностей настоятельно требовалось увеличить досягаемость, пусть даже за счет снижения вдвое мощности заряда головной части ракеты. Такой заряд, разработанный под руководством главного конструктора К.И. Щелкина во вновь организованном уральском НИИ-1011, был успешно испытан взрывом мощностью 1,5 Мт на Новой Земле 27 февраля 1958 г. В дальнейшем он устанавливался в весившей около 1600 кг головной части морской ракеты Р-13. Конечно, работающая в более жестких условиях головная часть МБР с этим зарядом весила бы больше, но даже при этом максимальная дальность «семерки» могла быть увеличена на тысячи километров.

Постановлением от 2 июля 1958 г. об увеличении дальности стрельбы ракеты Р-7 в целях создания МБР Р-7А была задана разработка ракеты со следующими характеристиками:
- максимальная дальность — 12000 км;
- новый, почти вдвое легкий заряд;
- предельные отклонения головной части — ±10 км (для 90% ракет).

Летные испытания предусматривалось провести в 1959 г. пусками семи ракет Р-7А.

Однако к этому времени в арзамасском КБ-11 (главный конструктор — Ю.Б. Харитон) была разработана принципиально новая схема заряда, обеспечивающая повышение мощности без существенного увеличения веса. Поэтому июльским постановлением 1958 г. КБ-11 поручалось создание для оснащения «семерки» заряда большей мощности по сравнению с разработанным НИИ-1011. В конце года такой заряд мощностью 3,0 Мт был успешно испытан на Новой Земле и принят для головной части ракеты Р-7А (изделие 8К74) весом 3 т. Масса заряда уменьшилась в 1,5 раза, диаметр — в 1,75 раз. Небольшое увеличение веса заряда по сравнению с величиной, заданной июльским постановлением (до 1,45 т), компенсировалось достигнутым к тому времени облегчением ряда элементов конструкции ракеты. Меньшие габариты головной части определили сокращение длины ракеты до 31,065 м и снижение стартового веса до 276 т. С учетом особенностей нового заряда скорость подхода головной части к Земле снизилась до 190 м/с.

Кроме того, на ракете Р-7А применили автономную инерциальную систему управления повышенной точности, которая обеспечивала вполне приемлемое отклонение в боковом направлении. Поэтому радиокоррекция осуществлялась только по дальности, что облегчило задачу размещения наземной аппаратуры.