
Разработка ракетного комплекса с ядерным боевым оснащением была начата в согласовании с постановлением Правительства СССР от 10 апреля 1954 г., т.е. еще до окончания испытаний и принятия на вооружение ракетного комплекса Р-5. Головным создателем комплекса было назначено ОКБ-1 НИИ-88, руководимое С. П. Королевым. Предпосылкой такового решения стало успешное испытание 12 августа 1953 года на Семипалатинском полигоне первого российского термоядерного компактного заряда РДС-6 мощью 400 кт. На его базе и был позднее сотворен боезаряд для ракет Р-5М. Наименование «Р-5М» появилось изрядно позже - исключительно 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 Русского Правительства о разработке на базе проходившей тесты Р-5, ракеты, снаряженной ядерной боевой частью. Начальный индекс создаваемой ракеты был 8А62М, а уже позже она стала называться Р-5М. Наибольшая дальность полета 1200 км ракеты Р-5 обеспечивала досягаемость стратегических целей на местности Европы, что в купе с поражающим воздействием ядерного заряда в первый раз позволяло рассматривать баллистическую ракету как стратегическое орудие. Дальность стрельбы новейшей ракеты оставалась без конфигураций - 1200 км. Головная часть с ядерной боеголовкой в полете отделялась от корпуса.
Ракета Р-5М отличалась от Р-5 тем, что комплектовалась автономной системой управления дальностью полета и радиокомандной системой боковой корректировки. Для увеличения надежности в первый раз производилось резервирование основных блоков системы управления, а именно, автомата стабилизации и более принципиальных частей кабельной сети. Принципиальные узлы автоматики были дублированы (а некие даже троированы), что должно было обеспечить огромную, по сопоставлению 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 заавтоматизировать процесс ее пуска. Но предстартовая подготовка была долговременной. Сначало для приведения ракеты в состояние боевой готовности требовалось около 30 часов. Позднее, 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 (фабричные) тесты.

Летно-конструкторские тесты комплекса Р-5М, начались в январе 1955 г. и завершились в 1956 г. 1-ый старт ракеты Р-5М состоялся 21 января 1955 г. на полигоне Капустин Яр. Запуск прошел удачно. С января по июль 1955 г. было запущено 14 ракет Р-5М, из них 13 достигнули цели. Две ракеты отклонились больше, чем на 7 разрешенных градусов, и движок был отключен системой АПР (автоматического подрыва ракеты). Заключительный (пристрелочный) шаг летно-конструкторских испытаний ракет Р-5М проходил в августе-ноябре 1955 г. Было проведено 10 пусков, из них 5 на дальность 1 165 км, три на дальность 1 083 км и два на 1 190 км. Из 10 пусков восемь прошли удачно. Результаты пристрелочных пусков 1955 г. послужили основанием для подготовки в последующем, 1956 г., испытаний ракеты Р-5М по полной программке. Эти тесты проходили без ядерного заряда, но со всей его автоматикой. Автоматика ядерного заряда исключала возможность взрыва заряда на старте. Не считая того, если ядерная бомба взводится в полете, а никто не мог дать стопроцентной гарантии, что ракета полетит туда, куда нужно, то ядерная боевая часть ракеты должна была взводиться не просто в полете, а только конкретно 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 шаге летных испытаний.
К зачетным испытаниям, которые проходили с 11 января по 6 февраля 1956 г., были представлены 5 ракет. Головные части 4 из них имели действующие макеты атомного заряда, в каких было все, что необходимо для атомного взрыва, не считая товаров атомного распада, вызывающих цепную реакцию. Проверялись стыковка головной части с бортовыми системами ракеты, разработка подготовки и надежность работы в полете всей автоматики. Четыре запуска прошли нормально. 5-ый запуск состоялся 2 февраля 1956 г. В процессе этих летных испытаний ракеты Р-5М было проведено 1-ое полномасштабное натурное испытание ракетно-ядерного орудия (операция «Байкал»). Ракета Р-5М в первый раз в мире несла ядерный заряд. Пропархав около 1 200 км, ее головная часть без разрушения дошла до поверхности в районе Аральских Каракумов. Сработал ударный взрыватель, вызвавший ядерный взрыв мощью около 80 кт. Постановлением Совмина от 21 июня 1956 г. ракета Р-5М была принята на вооружение Русской 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 фактически 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 заместо 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.