Этот опыт пригодился в 1966 году, когда К-133 (командир капитан 2 ранга Л.Н.Столяров) из состава 3-й дивизии подводных лодок Северного Флота совместно с ракетоносцем К-116 (командир капитан 2 ранга В.Виноградов) совершила «кругосветный» переход на ТОФ через Атлантический и Тихий океаны, пройдя в подводном положении за 54 суток почти 20000 миль. Руководителю перехода контр-адмиралу А.Сорокину, командирам АПЛ, командирам электромеханических БЧ капитанам 2 ранга Самсонову и Морозову, а также зам. командира по ПЧ капитану 2 ранга Усенко присвоили звание Герой Советского Союза. Подготовка к выполнению столь сложного задания была проведена в рекордно короткие сроки: в течение месяца моряками были отработаны три курсовые задачи.
В 1966 году К-14 (командир – капитан 1 ранга Д.Н.Голубев) совершила 17-суточный переход подо льдами Арктики, проложив трассу, по которой в дальнейшем осуществлялась перегонка атомоходов европейской постройки на Тихоокеанский флот. Несколько позже движение в обратном направлении освоили и «комсомольские» лодки новых проектов. Старшему на переходе командиру дивизии контр-адмиралу Игнатову и командиру АПЛ было присвоено звание Герой Советского Союза.
В 1968 году очередной подледный переход на ТОФ выполнила и К-42 (капитан 2 ранга В.И.Заморев), прошедшая под арктическими льдами совместно с К-55 (пр.658М). Этот поход отличался от предшествующих тем, что лодки несли на борту штатное ядерное оружие.
В то же время служба АПЛ проекта 627А сопровождалась не только успехами, но и трагедиями. Это было, к сожалению, неизбежной платой за освоение нового (трагедий с человеческими жертвами не избежали также ни американские, ни китайские подводники-атомники). 12 апреля 1970 г. во время крупномасштабных учений «Океан» затонупа К-8 (командир капитан 2 ранга В. Бессонов). Корабль специально не готовился к участию в этих учениях, он завершил боевую службу в Средиземном море. Пополнив запасы продовольствия и средств регенерации с надводного корабля, К-8, согласно первоначальному плану, в подводном положении прошла Гибралтарский пролив и вышла в Атлантику, где и получила 7 апреля приказ следовать в заданный район для участия в учениях. В дальнейшем корабль на связь не выходил.
8 апреля в 21.30 в Бискайском заливе, в нескольких сотнях миль от берегов Испании, на борту лодки в 3- м отсеке возник пожар, вызванный возгораниями патронов регенерации. Сработала система аварийной защиты реактора, и корабль, всплывший в надводное положение, остался практически без электроэнергии. Дизель- генераторы из-за неисправности использовать не удалось. На вторые сутки был израсходован запас воздуха, что затруднило выравнивание дифферента и поддержание плавучести. Экипаж боролся за живучесть корабля более трех суток, однако спасти К-8 не удалось. В седьмой и восьмой отсеки начала поступать забортная вода. 12 апреля в 6.18 лодка затонула на глубине 4680 м, унеся с собой жизни 52 членов экипажа. Часть людей была эвакуирована на советские суда, подошедшие к месту аварии. Командиру лодки капитану 2 ранга В. Бессонову посмертно присвоено звание Герой Советского Союза. Его именем и именем НМС (начальника медицинской службы) капитана м/с Соловья названы улицы в г. Гремиха.
Все лодки проекта 627А были выведены в резерв и списаны в 1989- 1992 гг. К-115, К-14, К-^2, К-133 и К- 181 завершили свою службу на Тихом океане, остальные – на Северном флоте.
После отказа от достройки ракетной атомной подводной лодки П-627А – носителя стратегической крылатой ракеты П-20 – была предпринята попытка переоборудовать этот корабль в опытовую подводную лодку – ПТ-627А, предназначенную для испытания новых 650-мм торпед, перспективного гидроакустического комплекса, а также отработки винтов регулируемого шага.
В 1960-1961 гг. в СКБ-143 был подготовлен сокращенный технический проект и начато рабочее проектирование. Однако в ноябре 1961 года все работы были прекращены и производственный задел по лодке был использован для постройки АПЛ проекта 627.
На первых атомных подводных лодках как в СССР, так и в США были использованы паропроизводящие установки с водоводяными реакторами. Однако в 1957 году в состав американских ВМС вошел второй опытный атомоход- «Сивульф», оснащенный реактором с жидкометаллическим теплоносителем (ЖМТ). Применение реакторов с ЖМТ позволяло улучшить КПД энергетической установки за счет более высокой температуры теплоносителя на выходе из реактора и повышения температуры перегретого пара.
Работы над корабельным реактором аналогичного типа начались в СССР в 1955 году. 22 октября 1955 г. вышло партийно-правительственное постановление о создании опытной атомной торпедной подводной лодки проекта 645 с 2-х реакторной паропроизводящей установкой с жидкометаллическим теплоносителем (сплав свинец-висмут). Первоначально разработка АПЛ осуществлялась под руководством главного конструктора В.Н.Перегудова, в 1956 году его сменил А.К.Назаров. Главными наблюдающими от ВМФ были А.Н.Донченко и А.С.Губкин.