В конце 1950-х гг. проработки по «полуатомной» лодке велись применительно к пр. 668. В начале следующего десятилетия группой конструкторов ЦКБ-18 во главе с Э.А. Деребиным на базе пр. 651 был предложен проект 683 лодки не намного большей длины (на 4,1 м) и водоизмещения (на 12,7%), но обладавшей практически не ограниченным запасом хода с максимальной скоростью 18 узлов за счет применения двух атомных энергоустановок мощностью по 6000 л.с.
В связи с этими замыслами менее чем через полгода после принятия семилетней кораблестроительной программы она была скорректирована постановлением от 25 сентября 1959 г., в соответствии с которым наряду с прекращением работ по средней лодке пр. П654 освободившиеся мощности «Красного Сормово» выделялись для строительства лодок пр. 651 и задавалось строительство 12 лодок пр. 651 со спецэнергоустановкой. В следующем году постановлением от 30 мая 1960 г. число строящихся лодок пр. 651 сокращалось с 61 до 28 единиц, из которых всего 10 предусматривалось оснастить серебряно-цинковыми батареями. При этом выполнение программы почти полностью возлагалось на «Красное Сормово, а ленинградские и амурский заводы освобождались от ранее выданных заданий. Исключение составил Балтийский завод (№189), на котором достроили пару лодок.
Однако и на этом процесс сокращения объема строительства лодок пр. 651 не завершился. В соответствии с постановлением от 21 июня 1961 г. число строившихся кораблей этого типа сократили до 16, а также прекратили работы по «полуатомным» модификациям этого проекта. Вместо планировавшейся к постройке дюжины кораблей пр. 683 на Судомеханическом заводе (№196) должно было строиться девять полноценных атомных ракетоносцев пр. 675 и четыре торпедных атомохода пр. 671. Впрочем, и это решение не стало окончательным. Постановлением от 7 августа 1962 г. Судомеханический завод освободили и от строительства пр. 675, поручив ему изготовление высокоавтоматизированных титановых атомоходов пр. 705 и продолжение постройки дизельных лодок.
Головную подводную лодку пр. 651 К-156 (заводской номер 552) начали строить на Балтийском заводе 16 ноября 1960 г. и спустили на воду 31 июля 1962 г. К зиме успели осуществить ходовые испытания на Балтике, но на ограниченной акватории Балтийского моря отсутствовали полигоны, пригодные для испытаний ракетного оружия. До ухода на Север, весной 1963 г. смогли только провести гонку турбореактивных двигателей крылатых ракет. При этом, как и ранее в ходе испытаний ракет П-5 на атомоходе пр. 659, выявилось, что при предстартовой подготовке струя продуктов сгорания двигателя впереди расположенной ракеты способна заглушить двигатель находящегося позади изделия. По результатам экспериментов была установлена оптимальная последовательность пуска ракет – «крест-накрест» (1 -4-2-3) и допустимые минимальные интервалы между стартами – 6, 26 и 5 с.
Основные ракетные стрельбы состоялись уже после перехода лодки на Северный флот, в ходе государственных испытаний. Проведенные с 21 ноября 1963 г. пуски всех трех ракет П-6 прошли успешно: были достигнуты прямые попадания в корабль-цель пр. 1784. Для порядка отстрелялись и ракетой П-5, правда, с несколько невнятной оценкой результатов: «ракета дошла до боевого поля, но координаты падения определить не удалось».
Лодка вступила в строй 10 декабря 1963 г. Через год с небольшим, 30 декабря 1964 г., пополнила флот вторая и последняя субмарина ленинградской постройки К-85 (заводской номер 553). Первая сормовская лодка К-24, заводской номер 511, была заложена 15 октября 1961 г и вступила в строй 31 октября 1965 г. За ними флот получил К-68, К-63, К-70, К-77, К-58, К-81, К-73, К-67, К-78, К-203, К-304, К-318 с заводскими номерами с 512 по 515, с 521 по 525 и с 531 по 533 соответственно. Последний корабль пр.651, К-120 (заводской номер 534), был сдан флоту 30 декабря 1968 г.
Антенный пост аппаратуры «Аргумент» в рабочем положении.
Контейнеры с ракетами П-6 перед стрельбой поднимались на угол 15°.
Подводная лодка пр. 651, вооруженная крылатыми ракетами П-6.
Одной из подводных лодок пр. 651 довелось выступить в необычной для себя роли. Один из кораблей этого проекта (видимо, К-81), находящихся в настоящее время в США, принял участие в съемках известного художественного фильма «К-19. Widowmaker». Для этого подводную лодку «замаскировали» под атомный ракетоносец пр. 658.
Стоит отметить, что в середине 1960-х гг. в дополнение к номеру проекта в системе обозначений военных кораблей появился также и словесный шифр. В частности, проекту 651 присвоили обозначение «Касатка».
Практически все лодки этого проекта несли службу на Севере, и всего две – К-120 и К-73 – на Тихом океане. Только К-81 оснастили (по пр. 651 К) аппаратурой «Касатка» для работы с системой космического целеуказания «Легенда», установив ее еще при постройке.
Впрочем, идея «атомизации» пр. 651 окончательно не умерла. В 1985 г. одна из ранее построенных лодок пр. 651 – К-58 (заводской номер 521) – была переоборудована по разработанному еще в 1977 г. пр. 651Э с дооснащением спроектированной НИКИЭТ атомной энергоустановкой малой мощности. Отметим, что эта величина более чем в сто раз уступает возможностям каждого из двух реакторов, устанавливавшихся на атомоходах первого поколения. Реактор кипящего типа, работает по одноконтурной схеме.