В результате в КБ УВЗ в срочном порядке возобновились работы по усилению вооружения Т-54, для чего предполагалось использовать пушку Д-54ТС с механизмом выброса стреляных гильз. Проект танка получил обозначение «объект 165». С целью снижения технического риска и максимально быстрого запуска танка в производство для него использовались узлы и агрегаты Т-54/55. Однако, учитывая опыт, накопленный при испытаниях «объекта 137» и «объекта 140», и то, что новая 100-мм пушка имела несколько большую казенную часть и более длинный выстрел, чем Д-10Т, а ГБТУ запрещало вводить раздельно-гильзовое заряжание, конструкторам пришлось проектировать для установки Д-54ТС новую цельнолитую башню с увеличенным диаметром погона — 2245 мм вместо 1825 мм у Т-54. Заодно увеличили и толщину ее бронирования — до 240 мм в передней части. Для облегчения работы заряжающего, а также что бы решить проблему удаления крупных стреляных гильз, которые уже было нерационально, как раньше, укладывать обратно в стеллажи, на ограждении пушки (как и на разработанном ранее в этом КБ «объекте 140») установили механизм выброса стреляных гильз. Гильзы выбрасывались через небольшой люк в кормовой части башни. Новая большая башня уже не помещалась на старом корпусе, поэтому пришлось удлинить его переднюю часть и сдвинуть назад моторно-трансмиссионное отделение. В результате был спроектирован новый корпус — более длинный и несколько более широкий. Толщина его лобовых листов не изменилась, оставшись равной 100 мм, но на остальных направлениях толщину брони пришлось несколько сократить при сильном ее дифференцировании, для облегчения танка. Это было необходимо для сохранения его подвижности на прежнем уровне, так как мощность силовой установки не изменилась — моторно-трансмиссионное отделение со всеми агрегатами осталось таким же, как на Т-55. Практически неизменной осталась и ходовая часть — опорные катки, ведущие и направляющие колеса (увеличилось только количество траков в гусеничной ленте — 97 вместо 90 у Т-54, за счет удлинения корпуса), но для сохранения правильной центровки танка изменили расположение опорных катков (в отличие от Т-54, у которого имелся большой промежуток между первым и вторым катками, катки на Т-62 были сконцентрированы в передней, наиболее тяжелой, части корпуса). В результате цепочки таких изменений, вызванных использованием более мощной пушки, и возник «объект 165» — будущий Т-62А. Относительно новой системой, которая устанавливалась на «объект 165», стала система противоатомной защиты (ПАЗ), которая предназначалась для защиты экипажа и оборудования внутри танка от воздействия ударной волны атомных боеприпасов, а так же для защиты экипажа от воздействия радиоактивной пыли на радиоактивно зараженной местности. Подобная система как раз в это время устанавливалась в КБ УВЗ на модернизированный вариант «пятьдесятчетверки», получивший в серийном производстве название Т-55. Забегая вперед, можно сказать, что Т-62 стал вторым серийно выпускавшимся советским танком (после Т-55), имевшим систему ПАЗ.
В 1958 г. были изготовлены три опытных экземпляра «объекта 165» со 100-мм пушками Д-54ТС. Их испытания проходили довольно быстро и без особых осложнений, т. к. почти все узлы и агрегаты были уже отработаны на Т-54/55 и производились серийно.
В конце 1959 — начале 1960 г.г. 115-мм пушку У-5ТС установили в переделанный «объект 165». Эта опытная машина получила индекс «объект 166». В 1960-61 гг. «объект 166» успешно прошел заводские и войсковые испытания и в августе 1961 г. был принят на вооружение под обозначением Т-62. Правда, в ходе испытаний выяснилось, что несмотря на увеличенный объем боевого отделения заряжание унитарными выстрелами пушки У-5ТС — довольно трудоемкий процесс, особенно на ходу танка, даже несмотря на наличие механизма выброса стреляных гильз.
Таким образом, в КБ УВЗ под руководством Л.Н.Карцева в очень сжатые сроки (за три года) было создано два варианта среднего танка с более мощным, чем у Т-54, вооружением и усиленным бронированием — Т-62А («объект 165») с нарезной 100-мм пушкой У-8ТС и Т-62 («объект 166») с гладкоствольной 115-мм пушкой У-5ТС. Оба танка в середине 1961 г. были приняты на вооружение Советской Армии. Это позволило несколько сгладить тревожную ситуацию, возникшую после неудачи конкурса на проектирование перспективного среднего танка и ожидаемого появления новых английских и американских танков.
В 1961 г. завод № 183 изготовил установочную партию танков Т-62 из 25 штук, которые были отправлены в войска Прикарпатского военного округа. В марте 1962 г. руководство приняло решение «в связи с необходимостью сокращения номенклатуры танковых пушек производство Т-62А не начинать». Определенную роль в этом решении сыграло и отсутствие подкалиберного бронебойного снаряда для пушки У-8ТС. Также много нареканий вызывал ее дульный тормоз. Зимой при стрельбе дульный тормоз поднимал снежное облако, летом — пылевое или песчаное. Это демаскировало танк и «ослепляло» его смотровые приборы. Дульная волна отрицательно влияла на десант на броне и пехотинцев, наступающих вместе с танками. Существенным недостатком дульного тормоза было и снижение меткости. В результате с 1 июля 1962 г. завод № 183 приступил к массовому выпуску только танков Т-62 со 115-мм гладкоствольной пушкой У-5ТС.