С начала января 1941 года заменили артиллерийское вооружение КВ-1 — вместо пушки Л-11 стали устанавливать 76,2-мм орудие Ф-32 конструкции завода № 92 в Горьком. Новая артсистема имела длину ствола 31,5 калибра и клиновой затвор с полуавтоматикой копирного типа. Для стрельбы из пушки и спаренного с ней пулемета ДТ сначала использовались перископический прицел ПТ-6 и телескопический ТОД-6, а с марта 1941 года — ПТ-8 и ТОД-8. Углы наведения орудия по вертикали составляли от -5 до +25 градусов. Для стрельбы из Ф-32 использовались те же боеприпасы, что и для Л-11. Начальная скорость бронебойного снаряда составляла 612 м/с, бронепробиваемость — 52 мм гомогенной брони, установленной вертикально, на дальности 1000 м.
На танках КВ-1 из числа машин установочной партии, прошедших модернизацию на Кировском заводе в мае — июле 1941 года, вместо пушки Л-11 монтировали Ф-32. Таким образом, получился некий гибрид: круглая башня и маска с орудием Ф-32. Таких танков было 11 штук.
В сентябре 1941 года, из-за отсутствия Ф-32, на танки КВ-1, выпускаемые в Челябинске, стали устанавливать 76,2-мм пушку ЗИС-5, разработанную конструкторским бюро завода № 92 в Горьком. Это орудие, разработанное на базе артсистемы Ф-34, отличалось от нее некоторым изменением люльки и рядом мелких деталей. ЗИС-5 имела длину ствола в 41,5 калибр и затвор с полуавтоматикой копирного типа. Благодаря установке нового гидравлического тормоза отката длина последнего при стрельбе составляла 320–370 мм. Для ведения огня из спаренной установки пушки и пулемета использовались телескопический прицел ТМФД-7 и перископический ПТ-4-7. Также использовались телескопические 9Т-7, 10Т-7, 10Т-13 и перископический ПТ4-13.
В конце 1941 года на части КВ-1 в крыше башни над местом наводчика устанавливалась измененная бронировка смотрового прибора. Она была не конической формы, а прямоугольной, а судя по широкому смотровому окну спереди, внутри находился обычный перископический смотровой прибор, а не ПТ-4-7. Этот прибор мог иметь такую же конструкцию, как и смотровые приборы в крыше башни, и не имел увеличения. Вероятнее всего, прибор с прямоугольной бронировкой над местом наводчика не вращался (в отличие от ПТ-4-7) и позволял вести наблюдение только вперед.
Пушка ЗИС-5 использовала те же боеприпасы, что и Л-11 и Ф-32, а также могла применять выстрелы с бронебойно-трассирующими снарядами БР-350А, БР-350Б и БР-350 CП, оснащенные взрывателем МД-5, а также введенным в июне 1942 года кумулятивным снарядом БП-353А и взрывателем БМ. Начальная скорость бронебойно-трассирующего снаряда ЗИС-5 составляла 680 м/с, бронепробиваемость на 1000 м — 61 мм.
Возимый боекомплект танков с пушкой Л-11 выпусков составлял 103 выстрела, которые размещались следующим образом: 10 — вдоль бортов ниши башни, 21 — в вертикальной укладке в отделении управления вдоль переднего топливного бака, и 72 — в специальных ящиках-чемоданах (по три в каждом), уложенных на днище корпуса в боевом отделении. В конце 1941 года боекомплект увеличили до 111 штук за счет введения двух дополнительных чемоданов и добавления укладки на два выстрела.