Технический проект был закончен и представлен на утверждение в декабре 1956 г.
Атомный подводный ракетоносец проекта 658 представлял собой подводную лодку двухкорпусного типа, разделенную на десять отсеков: I -й отсек торпедный; 2-й – аккумуляторный; 3-й – центральный пост; 4-й – ракетный; 5-й – дизельный; 6-й – реакторный; 7-й -турбинный; 8-й – электромоторный: 9-й – вспомогательных механизмов; 10-й – кормовой. Прочный корпус цилиндрической формы с конусами в оконечностях, за исключением четвертого отсека, который с целью увеличения вертикального размера был выполнен в форме «восьмерки» с распорной горизонтальной платформой, разделявшей отсек на верхнюю и нижнюю половины. На проекте 658 была удачно найдена конструкция узла соединения восьмерочной части прочного корпуса с цилиндрической.
По сравнению с торпедной лодкой проекта 627 в конструкцию ракетного атомохода был внесен ряд серьезных изменений. В частности, для управления на больших скоростях использовались малые горизонтальные кормовые рули. Лодка получила малошумную и более живучую электрогидравлическую систему управления рулями. Предусматривалось продувание главного балласта воздухом низкого давления. Внедрялась автономная система пожаротушения в реакторном отсеке. Также применялась продольная система набора наружного корпуса, дававшая значительную экономию стали и значительные преимущества в сравнении с имеющейся на всех подводных лодках поперечной системой набора.
По сравнению с американским аналогом первый советский ракетный атомоход обладал более высокой скоростью подводного и надводного хода, увеличенной глубиной погружения, а также лучшей боевой живучестью, уступая американской ПЛАРБ по уровню скрытности, а также по возможностям информационных средств. Весьма существенно проигрывал проект 658 и по такому важнейшему показателю, как отношение массы ракетного вооружения к тоннажу корабля. Если на лодках типа «Джордж Вашингтон» на каждую тонну ракет «Поларис А-1» приходилось немногим более 30 т водоизмещения, то на советской ПЛ эта величина возрастала почти до 130 т.
Из-за требований обеспечения высокой мореходности в надводном положении и уменьшения заливаемости палубы надстройки во время предстартовой подготовки и пуска баллистических ракет в надводном положении, чему придавалось важное значение, пришлось отказаться от «торпедообразной» формы носовой оконечности лодки и вернуться к традиционным «корабельным» обводам. Поэтому подводные лодки проекта 658 имели заостренные обводы носовой оконечности.
Уже в ходе серийной постройки часть лодок получила шумопоглощающее покрытие наружной обшивки, выполненное из специальной резины и затруднявшее слежение за кораблем ГАС противника, работающих в активном режиме (подобные покрытия появились на советском флоте впервые в мире). Впрочем, покрытие первого поколения оказалось не очень прочным, и к началу 1970-х гг. почти все лодки проекта 658 остались «ободранными».