Z uwagi na wyznaczony bardzo krótki termin przygotowania okrętu prototypowego, w pracach konstrukcyjnych zrezygnowano z opracowywania projektu wstępnego jednostki. Okręty projektu 658 o wyporności nawodnej 4080 ton i długości 114 metrów miały być wyposażone w system rakietowy D-2 z trzema odpalanymi z powierzchni morza pociskami R-13.
thumb|left|Pocisk SLBM R-13 współcześnie jako pomnik w bazie morskiej w Siewieromorsku Projekt był podobny do konstrukcji jednostek projektu 629 (NATO: Golf). W celu polepszenia kontroli nad okrętem przy dużej prędkości w zanurzeniu, obok przedziału rakietowego skonstruowanego dla jednostek projektu 629 dodano małe stery głębokości na rufie, ponadto cichszy i bardziej wydajny elektrohydraulicznie sterowany układ sterów oraz niskociśnieniowy zbiornik balastowy systemu ewakuacji okrętu. W odróżnieniu od okrętów projektu 629, energia zapewniana była przez 2 reaktory wodnociśnieniowe WM-A o mocy cieplnej 70 MW każdy, które zapewniały moc wyjściową turbin 35 000 koni mechanicznychNorman Polmar: Cold War Submarines, The Design and Construction of U.S. and Soviet Submarines, s. 112–114..