Инерциальная система управления обеспечивала точность стрельбы (КВО) 4 км, что в сочетании с ядерной моноблочной головной частью мощностью 1 Мт позволяло наносить удары по площадным целям. Как и Р-11ФМ, ракета Р-13 могла быть запущена только из надводного положения. Тем самым снижалась боевая ценность новых подводных лодок. И даже большая унификация конструкции с Р-5М в данном случае не играла заметной положительной роли. Но лучших ракет пока не было, и Р-13 осенью 1960 года поступила на вооружение флота.
К этому времени прошла испытания и поступила на вооружение первая советская атомная ракетная подводная лодка проекта 658. Ее энергетическая установка включала два водо-водяных ядерных реактора, обеспечивавших работу турбогенераторов. Всего в период 1958–1962 годы построили 8 субмарин этого типа, поступивших на Северный флот, и одну опытную для проведения испытаний баллистических ракет Р-29. На то время они были самыми скоростными и крупными из советских подлодок. Однако их радиоэлектронное и гидроакустическое оборудование не отличалось от оборудования дизельных лодок. Кроме трех баллистических ракет Р-13, лодка несла мощное торпедное вооружение: шесть 533-мм носовых и четыре 356-мм кормовых аппарата для стрельбы противолодочными и противокорабельными торпедами.
Эксплуатация головной подлодки К-19 выявила ряд существенных конструктивных недостатков. В 1961 году во время проведения учений Северного флота под названием «Полярный круг» на ней произошла авария реактора левого борта. Гибель лодки удалось предотвратить, для чего прямо в океане пришлось монтировать временную систему охлаждения аварийного реактора. Восемь человек, устранявших аварию и получивших большие дозы облучения, умерли после возвращения в базу. Позднее была установлена штатная система аварийной водяной проливки реактора для удаления теплоизбытков. К-19 оказалась несчастливой. В феврале 1972 года на ней возник пожар, унесший жизни 28 подводников. Но, несмотря на все недостатки, субмарины проекта 658 находились в боевом строю до начала 90-х годов.
В 1960 году в США начались летные испытания ракеты «Поларис-А2», которые длились всего один год. Ракета предназначалась для оснащения пяти ПЛАРБ типа «Этен Аллен», являвшихся развитием лодок типа «Дж. Вашингтон». В конструкции нового ракетоносца применили высокопрочные стали, что позволило увеличить рабочую глубину погружения до 400 м. Увеличение размеров и водоизмещения лодки при сохранении энергетической установки привело к некоторому снижению скорости полного подводного хода, что в общем-то большого значения не имело. На новых ПЛАРБ число ракетных шахт осталось прежним, но число торпедных аппаратов уменьшили. Оставшихся четырех вполне хватало для обеспечения самообороны. Первый ракетоносец вышел на боевое патрулирование в 1962 году, а вся серия вступила в строй в течение двух лет.
БРПЛ «Поларис-А2» отличалась от своей предшественницы большей длиной второй ступени. РДТТ этой ступени переработали. Корпус выполнили из стеклопластика. Увеличили запас топлива. Четыре сопла сделали отклоняемыми. Точность стрельбы и мощность ядерной головной части достались от ракеты «Поларис-А1», а максимальная дальность полета увеличилась на 600 км.
К 1964 году ВМС США имели в своем составе 10 подводных атомных ракетоносцев со 160 ракетами, которые по своим тактико-техническим характеристикам значительно превосходили советские ракетные подводные лодки. Несмотря на то, что в составе советского ВМФ таких лодок насчитывалось 31, на их вооружении состояло только 93 ракеты, к тому же уступавшие «Поларисам» по дальности стрельбы и надежности.
В условиях почти полного превосходства американских ВМС над всеми другими военными флотами руководство США решило превратить атомные ракетные подводные лодки в основной компонент ядерной триады.
В мае 1963 года на вооружение советских ракетных лодок стала поступать баллистическая ракета Р-21 вместо Р-13. По своему техническому уровню она была значительным шагом вперед, но только по сравнению со своими советскими предшественницами. Дальность ее полета составила 1300 км при оснащении головной частью мощностью 1 Мт и 1600 км — с ГЧ мощностью 0,8 Мт. Инерциальная система управления с улучшенными характеристиками обеспечила точность стрельбы (КВО) 2,8 км. Главным достоинством ракеты было то, что ее можно было запускать с глубины 40 м.
Новой ракетой перевооружили 8 атомных и 13 дизельных лодок проекта 629. При этом последние прошли модернизацию. Так как ракета Р-21 имела большие размеры, пришлось несколько изменить обводы рубки. С ее левой стороны была установлена телескопическая мачта. Заменили и часть электронного оборудования на более совершенное. Шесть модернизированных дизельных субмарин перевели на Балтику, где они несли боевое дежурство до конца 80-х годов. Другие вошли в состав Тихоокеанского флота. В марте 1968 года одна из них (К-129) погибла, как считается, в результате столкновения с американской ПЛА, следившей за советской подлодкой. Но даже с новыми ракетами советские подводные ракетоносцы по-прежнему уступали американским по своим тактико-техническим характеристикам.