Отличительной чертой «Союза» стала компоновка – он состоял из трех отсеков: бытового (БО), приборно-агрегатного (ПАО) и спускаемого аппарата (СА). Дело в том, что спускаемые аппараты «Востоков» и «Восходов» содержали системы, нужные не только для спуска, но и для орбитального полета в течение 10–14 суток. Вынеся эти системы в другие отсеки, не имеющие тяжелой теплозащиты, проектанты смогли заметно уменьшить массу спускаемого аппарата и значительно увеличить общий обитаемый объем без резкого роста массы корабля в целом. При этом сферический спускаемый аппарат на «Союзе» превратился в «фару». Теперь им можно было управлять за счет формы, ведь по сравнению с баллистическим спуском, нормальным для «Востока», она позволяла более чем на порядок повысить точность приземления (с 300–400 км до 5–10 км) и вдвое-втрое (с 8–10 до 3–5 g) снизить перегрузки при спуске, делая посадку гораздо более комфортной.
28 ноября 1966 года с полигона Тюра-Там (после полета Гагарина он официально назывался космодромом Байконур) стартовал «активный» корабль 7К-ОК(А), получивший обозначение «Космос-133». На следующий день планировался запуск «пассивного» корабля 7К-ОК(П). Но из-за монтажной ошибки, нарушившей логику управления, первый корабль израсходовал все топливо, и старт второго был отменен. Специалисты попытались свести неисправный корабль с орбиты, однако он пошел по нерасчетной траектории и был уничтожен системой автоматического подрыва.
Из-за выявленных проблем программа испытаний была изменена. Следующий «Союз» был срочно переоборудован из пилотируемого в беспилотный. Запуск 7К-ОК(П) под обозначением «Космос-140» состоялся 7 февраля 1967 года. В ходе двухсуточного полета тестировались системы корабля и двигатели, причем были обнаружены сбои в работе солнечно-звездной ориентации, а спускаемый аппарат приземлился в нерасчетном районе – на лед Аральского моря. Там он затонул, и его пришлось извлекать с помощью водолазов. При осмотре выяснилось, что днище спускаемого аппарата в центральной части прогорело и произошла разгерметизация – в пилотируемом варианте такое разрушение привело бы к гибели экипажа.
Результаты беспилотных запусков показали, что корабль «Союз» еще очень «сырой». Его следовало дорабатывать и проводить новые беспилотные запуски. И тут случилось невероятное – большинство руководителей программы высказались за переход к пилотируемым полетам! Очевидно, сыграл свою роль политический фактор: партийное руководство требовало в преддверии 50-летия Великой Октябрьской революции возобновить полеты космонавтов, ведь их не производили два года (если считать с «Восхода-2»). А это стало негативно влиять на репутацию СССР как ведущей космической державы. Идею поддержали и члены отряда космонавтов, которым нестерпимо хотелось летать.