Из-за отсутствия опыта калибровки интеграторов изделие, запущенное на дальность 1750 км, фактически улетело на 1799 км. Тем не менее, это был блестящий успех. Королев, присоединившийся к ликующим творцам Р-12, якобы заметил: «Первый пуск — это еще не пуск!» Последующие пуски 4, 13, 19 и 27 июля на дальность 1750 км оказались вполне успешными. Отклонения от точки прицеливания по дальности не превышали 6,251 км, а в боковом направлении — 4,235 км.

Разумеется, имелись и недостатки. Наблюдался повышенный уход гировертикали. Выявилось неудобство работы с жидким азотом при предстартовой подготовке (в дальнейшем от применения азота для наддува баков отказались). Хуже всего прошел шестой пуск изделия (заводской номер М4-8) 2 августа, завершившийся аварией на 106-й секунде полета из-за заводского дефекта — нарушения герметичности магистрали подачи окислителя. Ракета не долетела до цели 424 км.

Завершился первый этап летно-конструкторских испытаний удачно: 15 августа состоялся седьмой пуск ракеты «63М» (заводской номер М-5-4), впервые выполненный на максимальную дальность 1947 км, хотя и не без замечаний по работе СУ.

В процессе отработки удалось увеличить удельный импульс двигателя РД-214 (8Д59У) в наземных условиях с 226 до 227 с, в пустотных — с 259 до 263 с. Тяга двигателя на земле составляла 64 т, в пустоте — 74,35 т. Для улучшения точности попадания за счет уменьшения уровня ускорений на момент отсечки тяги двигателя и отделения боевого блока снизили тягу в пониженном режиме с 36 до 21 т. Попытки довести тягу пониженного режима до 15-16 т успехом не увенчались из-за возникавших низкочастотных колебаний. Тем не менее удалось в 6 раз снизить разбросы импульса последействия, существенно влияющие на точность стрельбы.

Другая проблема (также вибрационная) подстерегала разработчиков при запуске двигателя, когда возникали высокочастотные колебания. Для их исключения удвоили запас самовоспламеняющегося с азотной кислотой горючего ТГ-02, доведя его до 30 кг. При этом удалось сохранить размещение этого компонента непосредственно в трубопроводах двигателя, не вводя для него специальных баков.

Одновременно для теплозащиты головной части вместо минеральной обмазки применили асботекстолит. Ввели коррекцию гировертикали. Для наддува в полете бака окислителя вместо азота использовали парогаз — продукты разложения перекиси водорода с высокой (по тому времени) температурой 510° С, применяемые также для привода турбонасосного агрегата двигателя. Бак горючего и бак с перекисью водорода по-прежнему наддувались сжатым воздухом, поступавшим из шаровых баллонов. Тем самым удалось избавиться от последнего криогенного компонента на борту ракеты — жидкого азота.

При заправке ракеты использовали новую методику, учитывающую фактическую температуру и плотность компонентов топлива. Все эти новшества нашли отражение в техническом проекте ракеты второго этапа, выпущенном в марте 1958 г.

На втором этапе летно-конструкторских испытаний ракет (модификации «К63») вместо десяти намеченных выполнили всего четыре пуска — 27 мая, 4, 13 и 20 июня 1958 г. В ходе этих испытаний также удалось выявить ряд неполадок. В частности, при первом пуске от ракеты не отделилась головная часть, а во втором ее отделение задержалось на 35 с. Тем не менее, по предложению конструкторов и начальника Государственного центрального полигона В.И. Вознюка для снижения стоимости и сокращения длительности испытаний последующие пуски совместили с пристрелочными и зачетными стрельбами.

Установка ракеты Р-12 на пусковой стол. Рис. А. Чечина.

Эта инициатива была закреплена постановлением партии и правительства от 25 июля 1958 г. №825-393 «О совместных испытаниях ракеты Р-12». Государственную комиссию по испытаниям Р-12 возглавлял генерал-майор инженерно-технической службы А.И. Семенов. В ходе совместных испытаний, проводившихся по 27 декабря 1958 г., выполнили 14 пусков ракет, включая два дополнительных, контрольных. Три ракеты оснащались обычными головными частями с тонным зарядом взрывчатки, по два изделия несли в головных частях имитаторы специальных зарядов или весовые эквиваленты, семь — телеметрическую аппаратуру. Три пуска осуществили на дальность 826 км, близкую к минимальной, одиннадцать — на 1755 км и на 1947 км. На больших дальностях отклонения точек падения головных частей при нормальном функционировании ракеты не превышали 3,85 км, а при пусках на 826 км — 1,85 км. При определении этих показателей не учитывался пуск, в котором из-за несрабатывания одного из пироклапанов отсечки окислителя имел место перелет на 9,9 км. В другом случае из-за ненормального отделения головной части воздушный подрыв  был произведен с недолетом 12 км до цели.

В ходе испытаний Р-12 неоднократно дорабатывалась. При этом не только устранялись выявленные недостатки, но и наращивались боевые возможности ракеты за счет реализации последних достижений в различных областях техники, прежде всего — ядерной.

В те годы атомное и термоядерное оружие развивалось очень быстро. Некоторое представление о ходе этого процесса применительно к боевому оснащению ракеты Р-12 могут дать цитаты из открытых публикаций расположенного в г. Сарове («Арзамас-16») старейшего отечественного ядерного центра КБ-11 (ныне — РФЯЦ «ВНИИЭФ»).

Участник испытаний ядерного оружия, сотрудник КБ-VI А.В. Веселовский, в своих воспоминаниях «Ядерный щит создавался так» (с. 93) отмечает, что «боевое оснащение Р-12 последовательно обновлялось с 1955 по 1980 г., претерпев 6 модернизаций».

«Первые проработки боевой части для paкеты проводились с атомным зарядом, но уже в апреле 1956 г. состоялось совещание о замене атомного заряда на компактный (испытанный в 1956 г.) термоядерный заряд. Эта разработка велась до 1958 г. Был испытан ряд боевых частей пусками на разные дальности (июль-октябрь 1958 г.). В первой половине 1958 г. в связи с завершением разработки и успешным испытанием, нового, более совершенного заряда КБ-11 перед разработчиками была поставлена задача по ходу перепроектирования провести дополнительную наземную и летную отработку боевойI части (ноябрь-декабрь 1958 г.). В конце 1958 г. началось серийное производство Р-12 с боевой частью, укомплектованной усовершенствованным термоядерным зарядом» (с. 94).