Постановлением СМ от 25 августа 1955 года на ЦКБ-18 возлагалась разработка проектов 642 (на базе проекта 611) и 646 (на базе проекта 641) подводных лодок, вооруженных крылатыми ракетами. Разработка проекта 642 с комплексом П-10 по указанию заказчика была приостановлена еще в начальной стадии проектирования. Разработка проекта 646 была доведена до конца. Выполнялась она по утвержденному ТТЗ ВМФ, выданному в апреле 1956 года.
Технический проект 646 разрабатывался в двух вариантах, различавшихся только составом ракетного вооружения. В первом варианте предусматривалась установка на ПЛ комплекса П-5, а во втором варианте - П-10. Отсутствие у крылатой ракеты П-5 громоздкого стартового устройства, имевшегося у П-10, позволило в I варианте пр.646 принять вдвое больше ракет при одном и том же нормальном водоизмещении и тех же размерениях ПЛ.
Оба варианта проекта 646, за исключением состава ракетного оружия, имели практически одинаковые ТТД. В первом варианте поднимающиеся контейнеры для ракеты П-5 располагались в надстройке, попарно, в нос и в корму от ограждения рубки. Во втором варианте неподвижный контейнер и пусковые устройства располагались на палубе надстройки, по одной пусковой установке, в нос и в корму от ограждения рубки. Как в первом, таки во втором вариантах, старт ракет осуществлялся из надводного положения, при состоянии моря до 4-5 баллов, скорости ПЛ до 15 узлов и скорости ветра в любом направлении до 10 м/сек. Конструкция поднимающихся контейнеров в первом варианте была аналогичной проектам П-613 и 644, а конструкция неподвижного контейнера и пускового устройства во втором варианте была аналогичной проекту П-611.
Обеспечивалась возможность плавания ПЛ в подводном положении при двух затопленных контейнерах (одного носового и одного кормового) в I варианте и одного контейнера во И варианте за счет продувания прочных аварийно-балластных цистерн, специально предусмотренных для этой цели. Теоретический чертеж проекта 646 значительно отличался от пр.641, так как установка на ПЛ пр.641 ракетного оружия оказалась невозможной без частичного изменения легкого корпуса. Коренным изменениям по сравнению с пр.641 подвергся навигационный комплекс. В его состав входила двухгирокомпасная система «Маяк-646», гироазимут, гировертикаль и автопрокладчик («Сила-ГА», «Сила-ГВ» и «Сила-В»), а также астронавигационная система «Лира-П».
В остальном ТТД ПЛ пр.646, ее энергетическая установка и оборудование, соответствовали проекту 641. Материалы технического проекта 646 были представлены на рассмотрение ВМФ и МСП 1 октября 1957 года. Однако дальнейшего развития пр.646 не получил, так как в это время уже проектировались атомные ракетные подводные лодки. Согласно Постановлению Правительства от 31 декабря 1957 года все работы по проекту 464 были прекращены.