Р-27 представляла собой одноступенчатую ракету с моноблочной отделяемой головной частью.
Головная часть ракеты имела цельносварной герметичный корпус из алюминиево-магниевого сплава АМг6, на наружную поверхность которого нанесено тепло- влагостойкое покрытие на основе асботекстолита.
Корпус ракеты был облегчен за счет применения сплава АМг6 методом глубокого химического фрезерования в виде «вафельного» полотна.
На Р-27 впервые установили инерциальную систему управления, чувствительные элементы которой размещались на гиростабилизированной платформе. При этом приборный отсек, как самостоятельный элемент, на ракете отсутствовал. Аппаратура системы управления была скомпонована в герметизированном объеме, образованном полусферическим верхним днищем бака окислителя.
Бак горючего отделялся от бака окислителя двухслойным разделяющим днищем, что позволило исключить межбаковый отсек и тем самым сократить габариты ракеты.
Двигатель ракеты состоял из двух блоков – основного с тягой 23 т и рулевого с тягой 3 т. Основной блок помещался («утоплен») в баке горючего, рулевой блок был скомпонован на нижнем днище бака горючего.
Переходник, размещенный в нижней части ракеты, предназначался дня стыковки ракеты с пусковой установкой и создания воздушного «колокола», снижающего пик давления при запуске двигателя в затопленной водой шахте.
В комплексе применялась принципиально новая схема пусковой установки, включающей в себя пусковой стол и размещаемые на ракете резиново-металлические амортизаторы (РМЛ). На ракете отсутствовали стабилизаторы, что в сочетании с РМЛ позволило уменьшить диаметр шахты.
Корабельная система повседневного и предстартового обслуживания ракеты обеспечивала автоматизированное дистанционное управление и контроль за состоянием систем с единого пульта, а автоматизированное централизованное управление предстартовой подготовкой, стартом ракет, а также проведение комплексных регламентных проверок всех ракет осуществлялось с пульта управления ракетным оружием (ПУРО).
В комплексе была реализована возможность залповой стрельбы двумя 8-ми ракетными залпами. Исходные данные для стрельбы вырабатывала боевая информационно-управляющая система «Туча» (главный конструктор – P.P. Вельский).
Отработка комплекса Д-5 с ракетой Р-27 проводилась в три этапа:
а) Этап бросковых испытаний для отработки подводного старта, ракетного двигателя и шахты. Этап включал в себя 5 пусков с плавстенда и 6 пусков с переоборудованной ГШ пр. 613.
б) Этап летных испытаний с наземного стенда – 17 пусков.
в) Этап летных испытаний с головной ПЛ пр. 667А К-137 «Ленинец» для отработки комплекса з целом – 6 пусков.