Чтобы найти разумный компромисс между двумя различными планами дальнейшей космической экспансии, Сергей Королев предложил использовать свой корабль для отработки системы стыковки на околоземной орбите: так лунный "7К2" превратился в орбитальный "7К-ОК". В августе 1965 году в ОКБ-1 были составлены уточненные технические требования на корабль, который унаследовал название от предыдущего проекта — "Союз".
Аппарат "7К-ОК" представлял собой трехместный корабль, предназначенный для отработки операций маневрирования и стыковки на орбите, а также для проведения различных экспериментов, в том числе по переходу космонавтов из одного корабля в другой через открытый космос. Он состоял из трех частей: спускаемого аппарата, бытового отсека и приборно-агрегатного отсека. Части соединялись между собой механически и на этапе спуска с орбиты разделялись с помощью пиротехнических устройств. Масса корабля составляла 6,5 т, длина по корпусу — 6,98 м, объем двух жилых отсеков — 10,45 м3. Время активного существования на орбите — до 10 суток.
В агрегатном отсеке размещалась корректирующая тормозная двигательная установка "КТДУ-35" с основным однокамерным двигателем многократного включения и дублирующим двухкамерным двигателем с рулевыми соплами на высококипящих компонентах топлива. Кроме того, на приборно-агрегатном отсеке стояли двадцать два малых двигателя причаливания и ориентации, работавшие на перекиси водорода. В систему электропитания корабля входили аккумуляторы и две солнечные батареи, жестко закрепленные на корпусе.
Корабли "7К-ОК" оснащались радиотехнической системой сближения и стыковки "Игла". Внутреннего лаза не было, посему переход космонавтов из одного корабля в другой осуществлялся только в скафандрах через открытый космос. В зависимости от агрегата стыковки корабли разделялись на два вида: активные "7К-ОК(А)" с четной нумерацией и пассивные "7К-ОК(П)" с нечетной нумерацией.
Форма спускаемого аппарата и специальная система позволяли совершать управляемое снижение в атмосфере с перегрузкой не более 3–4 g, причем управление осуществлялось с помощью газовых реактивных двигателей, работающих на перекиси водорода. При отказе системы спускаемый аппарат мог совершать приземление и по баллистической траектории, но с перегрузкой 7–8 g. Корабли "7К-ОК" оснащались двумя парашютными системами: основной и запасной. Кроме того, на днище спускаемого аппарата, под сбрасываемым экраном, устанавливались четыре двигателя мягкой посадки, которые гасили скорость приземления практически до нуля.
К осени 1966 года в ОКБ-1 были изготовлены первые летные "Союзы". Предполагалось, что сначала будут запущены два беспилотных аппарата, которые проведут стыковку в автоматическом режиме, продемонстрировав возможности новой техники.
Двадцать восьмого ноября 1966 года с 31-й площадки полигона Тюратам, известного всему миру под названием космодром Байконур, стартовал активный корабль "Союз" ("7К-ОК(А)" № 2), который получил официальное название "Космос-133". На следующий день с 1-й площадки планировался запуск "7К-ОК(П)" № 1. Однако на первом же витке "Союз" из-за монтажной ошибки, нарушившей логику управления, израсходовал все топливо, и полет пассивного корабля был отменен. Испытатели все же попытались свести неисправный аппарат с орбиты, однако он спускался по нерасчетной траектории и был уничтожен системой автоматического подрыва.
Рекомендовав устранить недоработки, Госкомиссия приняла решение запустить пассивный корабль № 1 в одиночный полет. Старт должен был состояться 14 декабря 1966 года, но в момент запуска ракеты-носителя произошло автоматическое отключение двигателей. Поступила команда на отбой и осмотр ракеты. Через 27 минут самопроизвольно сработала система аварийного спасения, отстрелившая спускаемый аппарат, который благополучно приземлился в 300 м от комплекса. Последствия нового сбоя оказались гораздо серьезнее: струи двигателя САС вызвали пожар на ракете — та взорвалась, до основания разрушив 31-ю площадку полигона. Погиб офицер из стартового расчета. Жертв могло быть гораздо больше, но, к счастью, фермы обслуживания еще не были сведены, и специалисты не успели на них подняться.
Из-за проблем с первыми кораблями программа испытаний была изменена. Следующий "Союз" был срочно переоборудован из пилотируемого в беспилотный. Запуск "7К-ОК(П)" № 3, получивший официальное обозначение "Космос-140", состоялся 7 февраля 1967 года с 1-й площадки Байконура. В ходе двухсуточного полета тестировались системы корабля и двигатели, причем были обнаружены сбои в работе солнечно-звездной ориентации, а спускаемый аппарат "Союза" приземлился в нерасчетном районе — на лед Аральского моря. Через некоторое время аппарат затонул, и его пришлось извлекать с помощью водолазов. При осмотре выяснилось, что днище аппарата в центральной части имеет проплавленное отверстие и что разгерметизация произошла еще во время входа в атмосферу, — в пилотируемом варианте это привело бы к гибели экипажа.