Группой Тихонравова были подготовлены и представлены в правительство СССР два письма, в которых аргументированно излагались перспективы применения ракетных "пакетов". Они сыграли определенную роль в принятии Постановления правительства о создании ракет нового типа, подписанного Иосифом Сталиным 13 февраля 1953 года. Постановлением была задана тема "Т-1" — "Теоретические и экспериментальные исследования по созданию двухступенчатой баллистической ракеты с дальностью полета 7000–8000 км". Цель исследований — разработка эскизного проекта ракеты дальнего действия массой до 170 т с отделяющейся головной частью массой 3 т. Позднее, в октябре 1953 года, проектное задание было изменено: масса головной части увеличена до 5,5 т при сохранении дальности полета. Последнее решение приняли под влиянием неофициальной информации о техническом облике термоядерных зарядов нового поколения, которую предоставил один из идеологов данного направления — будущий академик Андрей Сахаров. Позднее выяснилось, что масса такого заряда может быть многократно уменьшена. Однако двигатели уже разрабатывались, и запас по тяге, который они давали, впоследствии сыграл решающую роль в реализации космических планов.
В январе 1954 года прошли совещания главных конструкторов, на которых были сформулированы технические требования к будущей ракете, согласованы основные тактико-технические характеристики, этапы конструирования и испытаний. Двадцатого мая 1954 года было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР о разработке, изготовлении и испытаниях межконтинентальной ракеты "Р-7". Начался этап эскизного проектирования. При этом конструкторы рассмотрели более полусотни вариантов компоновки "пакета". В конечном итоге остановились на не самом оптимальном, но позволявшем использовать многие существовавшие технологические наработки.
"Пакет" "Р-7" состоял из пяти частей (фактически — одноступенчатых ракет): центрального блока "А" и четырех симметрично окружавших его конических боковых блоков "Б", "В", "Г" и "Д". Двигатели всех блоков запускались на старте одновременно. После опустошения топливных баков боковые части отделялись (первая ступень), а центральный блок (вторая ступень) продолжал полет. При этом внутренняя компоновка блоков была подобна схеме ракеты "Р-5", что значительно упрощало работу технологов. Новизну для них представляли лишь узлы связей частей. Основные компоненты топлива располагались в нижнем (горючее — керосин) и верхнем (окислитель — жидкий кислород) баках каждого блока. Вспомогательные компоненты (жидкий азот для наддува баков и перекись водорода для привода турбонасосного агрегата) размещались в торовых баках непосредственно над рамой двигателя.
Двадцать четвертого июля 1954 года эскизный проект "Р-7" был завершен. В августе, после рассмотрения и одобрения проекта Межведомственной экспертной комиссией, смежные организации получили технические задания. К созданию летных образцов ракеты подключались более двухсот научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и заводов. Но еще до завершения эскизного проектирования, в марте того же года, правительство Советского Союза распорядилось начать поиск места под новый ракетный полигон. Выбор остановили на пустынном районе Казахской ССР, у железнодорожной станции Тюратам. Именно туда отправились военные строители, чтобы возвести 5-й Научно-исследовательский полигон Министерства обороны (НИИП-5 МО), позднее получивший известность как космодром Байконур.
Первая летная ракета "Р-7" прибыла на техническую позицию полигона 3 марта 1957 года. Сразу началась разгрузка и укладка блоков на монтажные тележки. Целью испытаний было не только проверить все системы "Р-7" в полете, но и доставить габаритно-весовой макет боеголовки до специально организованного полигона Кура на Камчатке, находящегося на расстоянии 6314 км. Это было меньше проектной дальности, но в то время Советский Союз не располагал средствами наблюдения за движением ракеты в акватории Тихого океана. Кроме того, первые летные образцы были перегружены оборудованием (сами конструкторы называли их не летными, а измерительными) и в принципе не могли выйти на дальность 8000 км. Для гарантии безопасности населенных пунктов, расположенных по трассе полета, на "Р-7" была установлена комбинированная система аварийного выключения двигателя.