Разработка ракетного комплекса с ядерным боевым оснащением была начата в соответствии с постановлением Правительства СССР от 10 апреля 1954 г., т.е. еще до окончания испытаний и принятия на вооружение ракетного комплекса Р-5. Головным разработчиком комплекса было назначено ОКБ-1 НИИ-88, руководимое С. П. Королевым. Предпосылкой такого решения стало успешное испытание 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне первого отечественного термоядерного малогабаритного заряда РДС-6 мощностью 400 кт. На его основе и был позже создан боезаряд для ракет Р-5М. Наименование «Р-5М» появилось намного позднее - только в 1955 году.

Для разработки головной части ракеты с ядерным зарядом в 1953 году С.П. Королевым в ОКБ-1 НИИ-88 была образована группа конструкторов, которую возглавил В. Садовый. А уже через год вышло то самое постановление Советского Правительства о создании на базе проходившей испытания Р-5, ракеты, оснащенной ядерной боевой частью. Первоначальный индекс создаваемой ракеты был 8А62М, а уже потом она стала называться Р-5М. Максимальная дальность полета 1200 км ракеты Р-5 обеспечивала досягаемость стратегических целей на территории Европы, что в сочетании с поражающим воздействием ядерного заряда впервые позволяло рассматривать баллистическую ракету как стратегическое оружие. Дальность стрельбы новой ракеты оставалась без изменений - 1200 км. Головная часть с ядерной боеголовкой в полете отделялась от корпуса.

Ракета Р-5М отличалась от Р-5 тем, что оснащалась автономной системой управления дальностью полета и радиокомандной системой боковой коррекции. Для повышения надежности впервые осуществлялось резервирование главных блоков системы управления, в частности, автомата стабилизации и наиболее важных элементов кабельной сети. Важные узлы автоматики были дублированы (а некоторые даже троированы), что должно было обеспечить большую, по сравнению с ракетой Р-5, надёжность. Была увеличена площадь пилонов воздушных рулей, для облегчения режима работы автомата стабилизации, изменена форма головной части. В связи с наличием ядерного боезаряда на борту ракеты, конструкторам пришлось автоматизировать процесс ее запуска. Но предстартовая подготовка была длительной. Первоначально для приведения ракеты в состояние боевой готовности требовалось около 30 часов. Позже, за счет улучшения организации работы, время подготовки сократилось до 5-6 часов, а время предстартовой подготовки составляло 2 часа. В августе 1954 года начались стендовые (заводские) испытания.

Летно-конструкторские испытания комплекса Р-5М, начались в январе 1955 г. и завершились в 1956 г. Первый старт ракеты Р-5М состоялся 21 января 1955 г. на полигоне Капустин Яр. Пуск прошел успешно. С января по июль 1955 г. было запущено 14 ракет Р-5М, из них 13 достигли цели. Две ракеты отклонились больше, чем на 7 разрешенных градусов, и двигатель был отключен системой АПР (автоматического подрыва ракеты). Заключительный (пристрелочный) этап летно-конструкторских испытаний ракет Р-5М проходил в августе-ноябре 1955 г. Было проведено 10 пусков, из них пять на дальность 1 165 км, три на дальность 1 083 км и два на 1 190 км. Из десяти пусков восемь прошли успешно. Результаты пристрелочных пусков 1955 г. послужили основанием для подготовки в следующем, 1956 г., испытаний ракеты Р-5М по полной программе. Эти испытания проходили без ядерного заряда, но со всей его автоматикой. Автоматика ядерного заряда исключала возможность взрыва заряда на старте. Кроме того, если ядерная бомба взводится в полете, а никто не мог дать стопроцентной гарантии, что ракета полетит туда, куда надо, то ядерная боевая часть ракеты должна была взводиться не просто в полете, а только непосредственно над целью, на спуске, когда уже ясно было, что она прилетела туда, куда ее посылали. Автоматика должна была выдержать все условия ракетного полета. Все эти требования к автоматике отрабатывались на первом этапе летных испытаний.

К зачетным испытаниям, которые проходили с 11 января по 6 февраля 1956 г., были представлены пять ракет. Головные части четырех из них имели действующие макеты атомного заряда, в которых было все, что нужно для атомного взрыва, кроме продуктов атомного распада, вызывающих цепную реакцию. Проверялись стыковка головной части с бортовыми системами ракеты, технология подготовки и надежность работы в полете всей автоматики. Четыре пуска прошли нормально. Пятый пуск состоялся 2 февраля 1956 г. В ходе этих летных испытаний ракеты Р-5М было проведено первое полномасштабное натурное испытание ракетно-ядерного оружия (операция «Байкал»). Ракета Р-5М впервые в мире несла ядерный заряд. Пролетев около 1 200 км, ее головная часть без разрушения дошла до поверхности в районе Аральских Каракумов. Сработал ударный взрыватель, вызвавший ядерный взрыв мощностью около 80 кт. Постановлением Совмина от 21 июня 1956 г. ракета Р-5М была принята на вооружение Советской Армии под индексом 8К51. Ракетный комплекс Р-5М стал первым ракетным комплексом с ядерным боевым оснащением.

Ракетные комплексы Р-5М, получившие на Западе обозначение SS-3 Shyster («стряпчий по темным делам»), развертывались на передовых рубежах в западной части СССР. Всего в течение 1956-1957 гг. было поставлено на вооружение и развернуто 48 ракет Р-5М. В 1957-1958 годы на ракету Р-5М были перевооружены практически все дивизионы инженерных бригад РВГК, в ВВС эту ракету осваивали 15 полков. Согласно плану использования ракетных частей, в случае военных действий, утверждённому в ноябре 1957 года, началось перебазирование ракет Р-5М в приграничные районы. В 1956 году боевые ракетные комплексы Р-5М вместо ракет Р-2 были поставлены на вооружение 77-й и 80-й инженерных бригад РВГК, дислоцировавшихся близь города Новые Белокоровичи в Житомирской области. В 1958 году 77-я инженерная бригада была передана в состав Сухопутных войск.

Каждая инженерная бригада Р-5М состояла из трех огневых дивизионов. В каждом дивизионе имелись две стартовые батареи с пусковыми установками ракет. Таким образом, на вооружении бригады было шесть ПУ Р-5М. Полк Р-5М состоял из двух огневых дивизионов. В каждом дивизионе имелись две стартовые батареи с пусковыми установками ракет. Таким образом, на вооружении полка было четыре ПУ Р-5М. Ряд бригад после перевооружения на ракетные комплексы Р-5М были передислоцированы ближе к границам СССР. Так, 73-я инженерная бригада, базировавшаяся у г. Камышин Волгоградской области, в 1960 году была передислоцирована под г. Коломыя на Украине. 85-я инженерная бригада, базировавшаяся на государственном полигоне в Капустином Яре, в 1960 году была переведена под литовский город Шяуляй. 72-я инженерная бригада, базировавшаяся близь поселка Медведь Новгородской области, в 1959 году была реорганизована в ракетный полк, который был переведен под г. Гвардейск Калининградской области.

Еще в 1953 и 1955 годах рекогносцировочные группы Министерства обороны СССР изучали возможность размещения баллистических ракет Р-1, Р-2 и Р-5 на территории ГДР, Румынии и Болгарии. 26 марта 1955 года было принято Постановление ЦК КПСС н Совмина, в соответствии с которым Министерству обороны в 1955-1956 годах предстояло направить 72-ю инженерную бригаду на территорию ГДР, а 73-ю инженерную бригаду на территорию Болгарии. В полном объеме постановление не было реализовано. В конце 1958 г. 72-я бригада передислоцировалась в район городов Фюрстенберг и Фогельзанд на северо-восток ГДР, где базировались соединения 2-й гв. ТА. С этих позиций Р-5М могли поражать всю территорию Англии и большую часть Франции.

В 1959 г. две бригады инженерных войск РВГК, оснащенные Р-5М, заступили на боевое дежурство на позициях вблизи г. Симферополя и Гвардейска (Калининградская область). Позже ракеты Р-5М получила дивизия, расположенная в районе города Уссурийск и поселка Манзовка на Дальнем Востоке. В 1959 г. там в боевой готовности находились 32 пусковые установки ракет Р-5М, а в 1960 г. - уже 36. В их зоне досягаемости оказались вся Япония и Маньчжурия.

В 1959 году предполагалось, что перед боевым применением бригады и полки с ракетами Р-5М будут выезжать с мест постоянной дислокации на полевые позиции и оттуда осуществлять пуск. Первый же опыт учений с таким сценарием, прошедших с августа по октябрь 1959 года с выездом на места стрельб полков из городов и поселков Гвардейск, Симферополь, Славута, Манзовка показал ошибочность данного решения. Личный состав и ракеты размещались в специальных палатках, наземное оборудование - на открытых площадках. С наступлением осени, когда пошли дожди, а в лесу стало сыро и холодно, начались болезни личного состава, боеспособность частей и подразделений падала. В связи с этим в конце октября того же года полки были отозваны с боевого дежурства и возвращены в пункты дислокаций. Позже было принято решение о том, что боевые ракеты с ядерными головными частями должны нести постоянное боевое дежурство на оборудованных стартовых позициях.

С вооружения ракета Р-5М была снята в начале 1960-х годов. Ракета Р-5М была первой отечественной ракетой с ядерным зарядом, которая несла боевое дежурство за пределами СССР. В пределах досягаемости Р-5М были американские базы ракет «Юпитер» и «Тор» в Италии, Турции и ФРГ. Недостатком ракетных комплексов Р-5М была необходимость иметь мощные кислородные заводы в районах базирования ракетных частей, что делало комплекс Р-5М малоподвижным и неспособным к быстрому ответному удару. Тем не менее, ракетный комплекс Р-5М стал первым аргументом генерального секретаря ЦК КПСС Н.С. Хрущева во время Суэцкого кризиса. Тогда он пригрозил грозил Англии и Франции нанести удар ракетами Р-5М с ядерными боевыми частями. Аргумент был более чем убедительным.

Технические характеристики ракеты Р-5М
Дальность стрельбы, км:
- минимальная 280
- максимальная 1200
Вероятное отклонение от цели, км:
- по дальности ±1,5
- по направлению ±1,25
Максимальная стартовая масса, т 29,1
Масса незаправленной ракеты, т 4,39
Масса топлива, кг 24900
Масса окислителя (жидкий кислород), кг 13990
Масса горючего (92-процентный этиловый спирт), кг 10010
Длина ракеты, м 20,8
Максимальный диаметр корпуса, мм 1652
Размах оперения, мм 3452
Тип боевой части ядерная 8К62 или термоядерная
Мощность ядерного боезаряда, Мт:
- вариант 1  0,04-0,05
- вариант 2  0,3
- вариант 3  1,0
Масса головной части, кг 1350-1400
Скорость ракеты в момент выключения двигателя, м/с 3016
Время полета на макс. дальность, с. 637
Время работы маршевого двигателя, с 115,4
Тяга маршевого двигателя у земли, тс 44
Тяга маршевого двигателя в пустоте, тс 51
Удельный импульс тяги маршевого двигателя у земли, кгсс/кг 219
Удельный импульс тяги маршевого двигателя в пустоте, кгсс/кг 243
Время работы маршевого двигателя, с 115,4
Масса маршевого двигателя, кг 870
Время подготовки ракеты к пуску, ч 2,0
Время нахождения в заправленном состоянии в готовности к пуску, сут. до 30