По двум этапам испытаний не удалось полностью решить все задачи экспериментальной отработки ракеты - не до конца была проверена надежность ракеты, ее систем агрегатов, не полностью оценена ее эксплуатация с подвесными головными частями и не был проверен весь комплекс наземного оборудования.
Третий этап летных испытаний ракеты Р-5 проходил с августа 1954 года по февраль 1955 года. Всего было произведено 19 пусков: 5 пристрелочных, 10 зачетных, к которым еще добавили 4 пристрелочных из-за неудач с отработкой радиоуправления дальностью. В ряде пусков наблюдалось ослабление радиосигнала из-за влияния струи двигателя. Чтобы добиться нужных результатов потребовалась передислокация наземных пунктов радиоуправления полетом ракеты Р-5, что вызвало длительный перерыв в ее испытаниях.
Ракета Р-5 с зарядом обычного ВВ не могла быть эффективным оружием. При таком рассеивании затраты на производство и запуск Р-5 в среднем превышали вероятный урон противника от попадания ее боеголовки. В начале 50-х годов разрабатывалась головная часть с боевыми радиоактивными веществами "Генератор-5".
Для Р-5М была разработана новая схема установки на стартовой позиции в вертикальном положении с помощью установщика и подъемно-транспортной тележки. Установщик и подъемно-транспортная тележка с уложенной на ней ракетой пристыковывались к пусковому столу, затем с помощью гидропривода производился подъем стрелы установщика в вертикальное положение, а тросы полиспастной системы через блоки стрелы присоединялись к цапфам рамы тележки. На стыковочной машине подвозилась головная часть и пристыковывалась к корпусу ракеты. После этого лебедкой и полиспастной системой установщика производился подъем тележки с ракетой в вертикальное положение, и ракета ставилась на пусковой стол. Затем на стартовую площадку подавались заправочные агрегаты, их коммуникации пристыковывались к ракете, и начиналась заправка компонентами топлива. Заправка горючим производилась с помощью насосов, а заправка окислителем (жидким кислородом) и перекисью водорода - путем вытеснения сжатыми газами из баков заправщиков.
21.01.1955 г. на полигоне Капустин Яр был осуществлен первый старт ракеты Р-5М. Пуск прошел успешно.
С января по июль 1955 года было запущено 14 ракет Р-5М, из них 13 достигли цели. Две ракеты отклонились больше, чем на 7 разрешенных градусов, и двигатель был отключен системой АПР (автоматический подрыв ракеты).
Заключительный (пристрелочный) этап летно-конструкторских испытаний ракет Р-5М проходил в августе - ноябре 1955 года. Было проведено 10 пусков, из них пять - на дальность 1165 км, три - на дальность 1083 км и два -на 1189,8 км (в зависимости от веса ракеты). На этих испытаниях радиосистема управления дальностью полета рассматривалась как временное решение, так как в дальнейшем предполагалось укомплектовать бортовую часть системы управления автономной системой управления дальностью полета. Из десяти пусков восемь прошли успешно. Результаты пристрелочных пусков 1955 года послужили основанием для подготовки в следующем, 1956 году, испытаний ракеты Р-5М по полной программе.
К зачетным испытаниям, которые проходили с 11 января по 6 февраля 1956 года, были представлены пять ракет. Головные части четырех из них имели действующие макеты атомного заряда, в которых было все, что нужно для атомного взрыва, кроме продуктов атомного распада, вызывающих цепную реакцию. Проверялись стыковка головной части с бортовыми системами ракеты, технология подготовки и надежность работы в полете всей автоматики. Четыре пуска прошли нормально.
Пятый пуск состоялся 2 февраля 1956 года. Ракета Р-5М впервые в мире несла ядерный заряд.
Время предстартовой подготовки к пуску составляло около 2 часов. Мощность зарядов ракет Р-5М несколько раз менялась, были и 300-кТ заряды, а в конце концов поступили и 1 мТ термоядерные заряды.
Ракеты Р-5М имели существенный недостаток, связанный с использованием в качестве окислителя жидкого кислорода, который быстро испарялся и не позволял держать ракету в заправленном состоянии свыше 30 суток. Для выработки запаса кислорода необходимо было иметь мощные кислородные заводы в районах базирования ракетных частей, что делало комплекс Р-5М малоподвижным и неспособным к быстрому ответному удару.
На базе ракеты Р-5 были созданы геофизические ракеты Р-5А, Р-5Б и Р-5В.
Первоначально ракеты Р-5 и Р-5М изготавливались на Опытном заводе № 88 в г. Мытищи. Всего до 1956 года заводом № 88 было изготовлено 75 ракет Р-5 и Р-5М для стендовых и летных испытаний. В 1956 году ракета Р-5М была передана для серийного производства на завод №586 в г. Днепропетровске.
