В 1958 году началась разработка нового ракетного комплекса Д-4 с ракетами Р-21, обладающими способностью стартовать из-под воды и имеющими увеличенную дальность. В феврале 1962 г. новая ракета была продемонстрирована Н.С.Хрущеву, а в 1963 г. – принята на вооружение. Это позволило начать перевооружение ПЛАРБ комплексом Д-4. Модернизация по проекту 658М была выполнена в ходе капитального ремонта лодок в 1965-1970 гг.
Старт ракеты Р-21 выполнялся из шахты, заполняемой перед пуском водой. Одноступенчатая БР имела стартовую массу 19650 кг и могла доставлять боевой блок мощностью 0,8 Мт на дальность 1420 км. КВО составляло 1,3 км.
В связи с установкой на лодке комплекса Д-4 потребовалось обеспечить удержание корабля на заданной глубине во время пуска ракеты из- под воды (суммарное воздействие импульсов сил, возникающих при ракетном старте, приводило к тому, что лодка подвсплывала почти на 16 м, что затрудняло пуск последующей ракеты в залпе). В результате для ПЛАРБ проекта 658М была разработана т. н. система удержания, обеспечивающая автоматическое сохранение заданной глубины.
В ходе модернизации в конструкцию атомохода были внесены и другие усовершенствования. В частности, изменилась корабельная система предстартовой подготовки и обслуживания (КСППО). Для заполнения водой кольцевого зазора (пространства между стенкой шахты и корпусом ракеты) перед стартом были установлены специальные цистерны с системой перекачки.
В ПЛАРБ проекта 658М были переоборудованы все восемь лодок 658- го проекта (на Западе они получили обозначение Hotel II). В 1969-1970 гг. К-145 была модернизирована по проекту 701, превратившись, фактически, в новый корабль.
Велась проработка и проекта А658, в рамках которого предусматривалось перевооружение лодок 658-го проекта ракетным комплексом Д-5. Программа была закрыта на стадии аванпроекта.
«Тихоокеанские» лодки К-178 и К-55 на судоремонтном заводе в Большом Камне (Приморье) в 1970-х годах были переоборудованы в торпедные АПЛ пр. 658Т. В 1977 году эти лодки вновь подверглись переоборудованию: по проекту 658У (КС) их трансформировали в корабли связи. При этом торпедное вооружение было сохранено, однако торпедный боекомплект уменьшен. В 1988 и 1990 гг. АПЛ вывели из состава флота, в конце 90-х годов они находились в отстое в Павловске.
Несмотря на высокую шумность, устаревшее оборудование, относительно низкие условия обитаемости и ряд других недостатков, лодки проекта 658М в 70-х годах продолжали оставаться вполне боеспособными боевыми единицами флота, успешно решающими поставленные перед ними задачи. Патрулируя в непосредственной близости от побережья США (иногда члены экипажей в перископы могли наблюдать берега Новой Англии), эти корабли обеспечивали размещенным на них ракетам крайне малое подлетное время, что затрудняло потенциальному противнику организацию мер противодействия ракетному удару (хотя и делало возвращение ПЛАРБ к родным берегам после выполнения боевой задачи делом весьма проблематичным).