Решение о разработке опытной атомной подводной лодки проекта 645 было принято в 1955 году. Она должна была стать первой советской атомной субмариной с реакторами с жидкометаллическим теплоносителем. При строительстве новой подводной лодки был использован опыт, полученный при создании первой советской атомной субмарины К-3 «Ленинский комсомол». Конструктивно К-27 напоминала К-3. Но вместо водо-водяных реакторов она получила реакторы с жидкометаллическим теплоносителем. По некоторым показателям К-27 не уступала американской подводной лодке «Сивульф», а по скорости хода в подводном положении и глубине погружения превосходила ее. Еще одним отличием К-27 от К-3 стал лёгкий корпус, созданный из новой маломагнитной стали. Однако, как выяснилось позднее, этот материал плохо выдерживает нагрузку, покрываясь множеством трещин. Впоследствии такая сталь в производстве подводных лодок больше не применялась.