Баки первой ступени, выполненные (без применения шпангутно-стрингерного подкрепляющего набора) по схеме «вафля» из обработанных химическим фрезерованием панелей алюминиево-магниевого сплава, были разделены приборными отсеком, в котором также размещались баллоны для продувки двигателей и газогенератора. Переднее днище бака окислителя было прикрыто газоотражательным конусом. Не вписывающиеся в мидель ракеты части камер двигателя первой ступени были закапотированы коническими обтекателями; снаружи на них крепились пилоны, на которые, в свою очередь, устанавливались снимаемые при транспортировке консоли стабилизаторов. В дальнейшем, по результатам уточнения динамических параметров ракеты, съемные консоли сочли избыточными и оставили только пилоны.
Созданный в организации Косберга ЖРД второй ступени РО-9 (8Д715) также был выполнен по «открытой» схеме, но с неподвижными четырьмя камерами сгорания с единым турбонасосным агрегатом. Генераторный газ использовался не только для наддува баков, но и для управления полетом ракеты по всем каналам, истекая через специальные поворотные сопла. Таким образом, рулевые камеры использовались как доводочная двигательная установка для уменьшения уровня ускорения в конце полета второй ступени. Двигатель с довольно высоким для «открытой» схемы давлением в камере 70 кг/см² развивал тягу 30,8 т при удельном импульсе 330 кг.с/кг, достигнутым за счет применения «высотных» сопл большого расширения.
Для придания ракете хорошо обтекаемой формы при малом удлинении второй ступени ее выполнили с необычным передним расположением меньшего по объему конического бака горючего, с находящимся за ним подвесным сферическим баком окислителя. Впервые королевская фирма использовала сферический бак, вскоре ставший «идеей фикс» в конструкции злосчастного лунного носителя Н-1. В межбаковом отсеке второй ступени размещались основные приборы системы управления ракеты.
Как и на уже отработанных космических носителях 8К72 (лунных вариантах «семерок»), ступени ракеты Р-9А связывала ферменная рама, обеспечивающая свободное истечение продуктов сгорания при «горячей» схеме разделения ступеней, соответствующей простому и надежному запуску ЖРД второй ступени и исключавшей участок ее неуправляемого движения. Разрыв механической связи между ступенями производился тогда, когда тяга двигателя второй ступени превышала остаточную тягу первой. Впереди сбрасываемой вместе с отработавшей первой ступенью ферменной рамы устанавливался переходный отсек. Внутри отсека располагался двигатель второй ступени, закрепленный на заднем днище бака окислителя посредством хвостового отсека в форме обратного конуса. Снаружи переходного отсека были закреплены 12 щитков, которые при разделении ступеней проворачивались относительно шарнирно закрепленной передней кромки навстречу потоку и фиксировались под углом 30' к продольной оси ракеты, образуя своего рода «лепестки» конической юбки. Центр давления аэродинамических сил смещался назад, и управляемость обеспечивалась при сравнительно небольшой тяге поворотных управляющих сопл. Через несколько секунд, после отработки возмущений от разделения ступеней, переходный отсек сбрасывался, скользя по направляющим штырям. При этом щитки, действуя как аэродинамический тормоз, стягивали отсек назад. После раскрытия рычажных замков отсек делился на три панели, разбрасываемые поперечными пружинными толкателями.