Уже летом 1944 года конструкторами ОКБ-520 был предложен проект улучшенного танка (первоначально именовавшегося в документах Т-44В) с усиленным вооружением (100 мм пушка Д-10Т), бронированием (корпус до 100 мм, башня до 130 мм) и более выносливой подвеской. Также предполагалось установить более мощный двигатель с новой системой охлаждения и планетарную трансмиссию (существенно повышавшей маневренность), а также значительно улучшить условия работы экипажа в боевой обстановке. Реализация всех этих изменений тянула уже не на модернизацию, а изготовление совершенно новой машины.
В сентябре 1944 года проект нового танка, который теперь уже именовался как Т-54, был рассмотрен в Наркомате танковой промышленности. Начальство одобрило проект, более того, спустило в ОКБ напряженный график работ: к 1 декабря 1944 года изготовить опытный образец, к 15 января 1945 года закончить испытания и к 20 мая выпустить и доставить всем заводам изготовителям нового танка рабочие чертежи. Однако работы велись не так быстро, как предписывало начальство. Реально проектирование удалось завершить только в декабре 1944 года, а опытный образец был изготовлен в январе — феврале 1945 года.
При конструировании танка Т-54 были использованы узлы и механизмы среднего танка Т 44, с внесением в них изменений, вызванных усилением вооружения и бронирования. Литая башня с диаметром погона в свету 1800 мм имела толщину брони в лобовой части 180 мм (у Т-44 — 120 мм). Вварная крыша башни изготавливалась из двух катаных броневых листов толщиной 30 мм (у Т-44 — 15 мм).
Танки Т-54 из 201-го бронетанкового полка ДРВ, движутся по раскисшему от дождей проселку, 1972 год
Первый опытный танк Т-54, на испытаниях 1945 год
Конструкция корпуса в целом была аналогична корпусу Т-44. Однако толщина верхнего и нижнего лобовых листов, установленных соответственно под углами 60° и 45° от вертикали, составляла 120 мм (у Т-44 — 90 мм). Лобовой лист корпуса выполнялся без смотровой щели механика-водителя.
Вооружение танка состояло из опытной 100-мм танковой пушки Д-10ТК (боевая скорострельность до 7 выстр./мин) и двух 7,62-мм пулеметов: один был спарен с пушкой; второй, курсовой, устанавливался в отделении управления справа от механика-водителя.
В моторно-трансмиссионном отделении танка перпендикулярно продольной оси корпуса устанавливался V-образный двенадцатицилиндровый четырехтактный дизель В2-44 мощностью 520 л.с. Для облегчения пуска двигателя в зимних условиях имелся пародинамический ламповый подогреватель.
В топливную систему входило четыре основных (внутренних) топливных бака общей емкостью 530 л. Кроме внутренних топливных баков, снаружи танка на надгусеничных полках, устанавливались три дополнительных бака емкостью по 55 л каждый. Дополнительные баки, в отличие от Т-44, были включены в топливную систему. Запас хода по шоссе с использованием дополнительных топливных баков — 300–360 км (у Т-44 — 235 км).
Ходовая часть была практически полностью заимствована у Т-44. Сохранилась и архаичная гусеница с гребневым зацеплением.
Масса танка возросла до 35,5 т (против 31,8 т у Т-44), а максимальная скорость снизилась до 43,5 км/ч (у Т-44 — 51–56 км/час), тем не менее, средняя скорость движения осталась на уровне танков Т 44 и Т-34.
Испытания первого опытного образца танка Т 54 были проведены на Научно-испытательном бронетанковом полигоне ГБТУ КА (станция Кубинка Западной железной дороги) в период с 11 марта по 14 апреля 1945 года.
Конечно же, в их ходе обнаружилось множество недостатков. Однако заключение комиссии по проведению испытаний, под руководством Е.А. Кульчицкого, было в целом положительным. В нем особо отмечалось, что танк Т-54 по своим основным боевым качествам (мощность вооружения и бронирование) превосходит всё существующие средние танки. К его основным недостаткам отнесли недостаточную снарядостойкость башни и устарелость конструкции трансмиссии и ходовой части — башня поражалась на больших дистанциях, а трансмиссия и ходовая часть снижали динамические качества танка. Учитывая резкое повышение боевых качеств среднего танка, достигнутое в танке Т-54, комиссия посчитала целесообразным рекомендовать танк Т-54 на вооружение Красной Армии, но с обязательной отработкой и установкой следующих узлов и механизмов: