Ракета Р-27 была разработана в КБ В. Макеева в соответствии с постановлением Правительства от 24 апреля 1962 года. Развитие советской науки и техники в области материаловедения, металлургии, электроники в этот период создало благоприятные предпосылки для разработки новых ракет с улучшенными характеристиками.
Отработка ракеты и комплекса Д-5 проводилась в три этапа. На первом этапе были проведены бросковые пуски с плавающего стенда и с опытовой дизельной подводной лодки (пять и шесть пусков соответственно) для отработки подводного старта и двигательной установки. На втором этапе были проведены летные испытания ракет, стартовавших с наземных пусковых устройств (17 пусков). Для отработки комплекса в целом на заключительном этапе была задействована головная атомная ракетная лодка проекта 667А К-137 <Ленинец>. 13 марта 1968 года комплекс Д-5 с ракетой Р-27 был принят на вооружение ВМФ. Он обеспечивал автоматизированные контроль технического состояния, предстартовую подготовку и пуск ракет, как одиночный, так и залповый (до 8 ракет). Исходные данные для стрельбы вырабатывала боевая информационно-управляющая система <Туча>.
Р-27 - одноступенчатая с ракетными двигателями на жидком топливе и отделяемой в полете головной частью. Корпус ракеты был изготовлен из алюминиево-магниевого сплава. На наружную поверхность корпуса наносилось тепловлагостойкое покрытие. В качестве компонентов топлива использовались долгохранимые высококипящие окислитель АТ (азотный тетраксид) и горючее НДМГ (несимметричный диметилгидразин), воспламенявшиеся при соприкосновении друг с другом. Баки, выполненные со сферическим разделительным днищем, заправлялись компонентами топлива непосредственно на заводе, после чего ракета ампулизировалась. Это позволило значительно упростить эксплуатацию ракет.
Двигательная установка ракеты состояла из двух блоков: маршевого ЖРД с тягой 23 т и рулевого ЖРД с тягой 3 т. Маршевый двигатель был размещен (<утоплен>) в баке горючего, а рулевой - под нижним днищем этого бака. В нижней части ракеты был установлен переходник, предназначавшийся для ее стыковки с пусковой установкой и создания воздушного <колокола>, снижающего пик давления при запуске двигателя в затопленной водой шахте.
Инерциальная система управления предназначалась для управления выходом ракеты на поверхность при старте с подводной лодки и вывода ее на заданную траекторию полета, стабилизации и программного управления ракетой, определения момента отделения головной части. Впервые на советских БРПЛ чувствительные элементы размещались на гиростабилизированной платформе. Аппаратура системы управления размещались в герметизированном объеме, образованном полусферическим верхним днищем бака окислителя.
Ракета несла моноблочную головную часть с термоядерной зарядом мощностью в 1 Мт, что позволяло уверено поразить площадной объект.
Конструкторы разработали оригинальную конструкцию хвостового отсека для этой ракеты, содержавшего часть элементов пусковой установки. Такой подход позволил на порядок снизить массу последней. В целом и ракетный комплекс Д-5 и БРПЛ Р-27 были вполне удачными.
Корабельная система обслуживания ракет обеспечивала автоматизированное дистанционное управление и контроль за состоянием систем с единого пульта, автоматизированное управление предстартовой подготовкой, стартом ракет. Проведение комплексных регламентных проверок всех ракет осуществлялось с пульта управления ракетным оружием.
Стрельба ракетами производилась с глубины до 50 м, время предстартовой подготовки составляло 8 минут, а интервал между пусками ракет - 8 с.
В конце 1973 года закончились летные испытания, а в январе 1974 года на вооружение была принята усовершенствованная ракета Р-27У оснащенная моноблочной головной частью (с дальностью полета 3000 км) или разделяющейся головной частью с тремя боевыми блоками рассеивающегося типа мощностью по 200 кт каждый. Точность стрельбы повысилась на 15 %. На ракете устанавливался модернизированный ракетный двигатель с повышенными энергетическими характеристиками.
Однако, к этому времени ракеты с такими характеристиками не могли считаться современными и уступали почти по всем важнейшим боевым характеристикам американским БРПЛ.
Ракетные комплексы Д-5 и Д-5У устанавливались на ракетные подводные крейсера стратегического назначения проекта 667А (<Навага>). Последние ракетоносцы типа <Навага> находились в боевом составе флотов до 1993 года. Для их вооружения было произведено свыше 1800 БРПЛ Р-27. За время активной эксплуатации было проведено 161 учебно-боевой пуск. Из них признано успешными 150 (93,2 %).