Максимальная дальность стрельбы, км 1200
Стартовая масса, т 29,1
Масса полезной нагрузки, кг до 1350
Масса топлива, т 24,9
Длина ракеты, м 20,75
Диаметр ракеты, м 1,65
Тип головной части Моноблочная, ядерная, отделяемая
 

Ракета Р-5 стала дальнейшим развитием решений, реализованных в Р-2. В начале 50-х годов в опытном конструкторском бюро вели разработку абсолютно новой ракеты Р-3, или "изделия 8А67", с дальностью пуска 3 тыс. км. Однако в ходе дальнейшей проработки этого проекта был сделан вывод, что из-за многочисленных трудностей с созданием новых кислородно-керосиновых двигателей и целого ряда других причин целесообразно перейти на разработку новой ракеты - Р-3А, которая получила индекс Р-5.
Работы по разработке ракеты Р-5 вела кооперация организаций, которые возглавляли С.П. Королев (ракета, комплекс), В.П. Глушко (двигатель), Н.А. Пилюгин (система управления и наземная проверочно-пусковая аппаратура), В.П. Бармин (наземное стартовое, заправочное и вспомогательное оборудование), В.И. Кузнецов (командные приборы). В течение одного года конструкторский коллектив, под руководством ведущего конструктора ОКБ-1 Д. Козлова, и специалисты опытного завода построили новую ракету, и отправили её на полигон в Капустин Яр для проведения лётных испытаний. 
Предусматривалось проведение трех этапов лётных испытаний ракеты Р-5: первый и второй - экспериментальные, третий - пристрелочный и зачетные испытания.
ервый этап лётных испытаний ракеты Р-5 прошёл в марте-мае 1953 года. Первый пуск был на дальность 550 км и состоялся 15 марта 1953 года. Всего проведено 8 пусков: два на дальность 270 км, пять - на максимальную дальность 1200 км и один - на 550 км. Из восьми ракет шесть достигли цели. Первый успешный пуск на максимальную дальность провели 19 апреля 1953 года.
При подготовке ко второму этапу лётных испытаний Р-5 в конструкцию ракеты и систему управления был внесен ряд изменений.
Второй этап лётных испытаний ракеты Р-5 проходил в октябре-декабре 1953 года. Все 7 пусков проводились на дальность 1185 км. Один из них был неудачным из-за повреждения бортовой кабельной сети, что вызвало выдачу преждевременной команды на выключение двигателя и, как следствие, недолет ракеты.
Третий этап лётных испытаний ракеты Р-5 проходил с августа 1954 года по февраль 1955 года. Всего было 19 пусков: пять пристрелочных, 10 зачетных, кроме того к ним еще добавили четыре пристрелочных пуска из-за неудач с отработкой радиоуправления дальностью.
Как и следовало ожидать, с первыми пусками были выявлены конструкционные недостатки. Отказ от использования в Р-5 массивных, имеющих большое аэродинамическое сопротивление стабилизаторов, сделал конструкцию ракеты статически неустойчивой. Из-за того, что вся эта двадцатиметровая конструкция была как бы единым тонкостенным баком с жидким, постоянно уменьшающимся содержимым, она оказалась подверженной упругим колебаниям. Система управления, разработанная в НИИ-885, не справлялась с гашением этих внутренних автоколебаний конструкции и автомат стабилизации, газовые и воздушные рули с трудом удерживали Р-5 в необходимом положении на траектории полёта.
Первоначально максимальная дальность полёта не превысила 1000 км из-за разрушения головной части Р-5, которая не выдерживала сопротивления воздуха. Для предохранения от сгорания стальной оболочки боевых частей на ракете Р-5 впервые начали применять специальную теплостойкую обмазку толщиной 6 мм на основе сублимирующих (испаряющихся) высокоэнтальпийных материалов.
Несмотря на все сложности, работы по доводке ракеты продолжались. К началу 1955 года надёжность систем и агрегатов удалось довести до требуемого уровня. Хуже дело обстояло с ядерной головной частью. Её разработка задерживалась. 
В этих условиях было принято решение принять БРСД Р-5 с головной частью, снаряжённой обычным взрывчатым веществом весом в 1000 кг. Ракеты этого типа стали поступать на вооружение инженерных бригад РВГК, где заменили эксплуатировавшиеся до этого Р-2. Каждая бригада имела шесть пусковых установок. (по другим данным ракета была принята на вооружение, но в серийное производство не пошла).
Конструкторы продолжали искать пути повышения боевых возможностей своей ракеты. Для увеличения эффективности действия в районе цели, было найдено интересное решение. Кроме стандартной ГЧ на ракету стали навешивать две, а чуть позже и четыре дополнительных боевых заряда, что позволило обстреливать площадные объекты. Правда, при этом максимальная дальность полёта снижалась до 820 и 600 км соответственно. Эффективность обоих вариантов головной части оставалось низкой.
Баллистическая ракета Р-5 была выполнена одноступенчатой по бесстабилизаторной схеме с несущими топливными баками из листового алюминиевого сплава. Для уменьшения гарантийных остатков топлива в обоих баках были установлены воронкогасители, а для упрочнения баков и обеспечения бескавитационной работы турбонасосных агрегатов, питавших ракетный двигатель компонентами топлива, в баках создавалось небольшое избыточное давление. В качестве маршевого двигателя на ракете применялся ЖРД РД-103 с тягой на земле до 41 т, разработки ОКБ В.П. Глушко. В качестве компонентов топлива использовались 92 % этиловый спирт и жидкий кислород. 
На ракете применили комбинированную систему управления. Для уменьшения бокового отклонения точки падения ГЧ добавили канал радиокоррекции. Управляющие усилия на активном участке траектории создавались аэро- и газодинамическими рулями.
В апреле 1954 года начались работы над усовершенствованным вариантом ракеты. Она получила обозначение Р-5М. Модернизация коснулась прежде всего боевого оснащения, двигательной установки и системы управления. В результате внесённых изменений максимальная дальность стрельбы увеличилась на 200 км. За счет впервые введённого резервирования главных блоков аппаратуры системы управления удалось повысить ее надёжность. Впервые на ракету установили аварийную систему автоматического подрыва, для ликвидации ракеты на случай сильного отклонения от траектории полёта.
Ракету оснастили отделяемой от корпуса на конечном участке полёта ядерной головной частью мощностью 300 кт. Её круговое вероятное отклонение (КВО) точки падения от расчётной точки прицеливания составляло 3,7 км, предельное отклонение — 6 км.
20 января 1955 года на полигоне Капустин Яр состоялся первый испытательный пуск ракеты Р-5М. 2 февраля следующего года был осуществлён и первый пуск (пятый зачётный) этой ракеты со штатным ядерным боезарядом мощностью 80 кт., который был приурочен к началу ХХ съезд КПСС. Операция получила название "Байкал". Председателем государственной комиссии в период проведения этих испытаний был генерал-лейтенант П.А. Дегтярев. Пуск прошел успешно. Через полчаса ГЧ точно достигла заданного квадрата в Приаральских Каракумах, автоматика подрыва боевого заряда сработала нормально.
Ракетный комплекс (РК) с БРСД Р-5М был принят на вооружение инженерных бригад РВГК 21 июня 1956 года. Он был более совершенным, чем его предшественники. Запуск ракеты был полностью автоматизирован. В процессе предстартовой подготовки осуществлялся контроль всех пусковых операций. Старт Р-5М проводился с наземной пусковой установки (пускового стола), которую можно было установить на подходящей местности. 
Конечно у этого боевого ракетного комплекса (БРК) были недостатки. Предстартовые проверки, операции по заправке и прицеливанию ракеты проводились без средств автоматизации, что значительно увеличивало время подготовки к пуску. Требовалось несколько часов, чтобы подготовить ракету к старту. Применение в качестве окислителя быстроиспаряющегося жидкого кислорода не позволяло держать ракету в заправленном состоянии более 30 суток, постоянно осуществляя подпитку бака окислителя. К тому же для выработки запаса кислорода необходимо было иметь мощные производственные средства в районе базирования ракетных частей. Все это делало РК малоподвижным и уязвимым, что ограничивало его развёртывание в Вооруженных Силах.
В случаи развязывания войны планировалось каждому фронту придать одну инженерную бригаду РВГК. Но боевое применение этих ракет могло состояться только после получения приказа от Верховного Главнокомандующего.
После создания 17 декабря 1959 года Ракетных войск стратегического назначения все инженерные бригады РВГК, вооружённые ракетным комплексом с БРСД Р-5М, были включены в боевой состав этого вида Вооруженных Сил СССР. Одновременно их переформировали в ракетные дивизии. В каждой из пяти дивизий, получивших этот ракетный комплекс, имелось восемь ракет Р-5М. Комплекс с "изделием 8К51" был выпущен на днепропетровском "Южмаше" небольшой серией в 48 ракет. Эксплуатировались они до 1967 года.