Анализ сохранившихся чертежей (до нас дошло 20 вариантов проекта танка КВ-4) свидетельствует, что многие из проектов содержат ценные, с конструкторской точки зрения, решения и вполне заслуживают патентования на уровне изобретений. Работа над проектом КВ-4 проводилась в тревожные предвоенные дни и поэтому авторство интереснейших предложений осталось незакрепленным.
По танку КВ-3 первыми выполнили задание артиллеристы. Дело в том, что КБ завода № 92 под руководством В. Грабина еще осенью 1940 года разработало проект 107-мм танковой пушки Ф-42, созданной на базе 95-мм танкового орудия Ф-39 (последнее успешно прошло испытания в башне танка Т-28 летом 1940 года). К началу 1941 года по решению Наркомата обороны СССР 107-мм орудие было изготовлено, успешно прошло заводские испытания на полевом лафете, а в марте 1941 года и в башне танка КВ-2. После получения задания на проектирование 107-мм танковой пушки ЗиС-6 с улучшенной баллистикой КБ Грабина, используя имевшийся задел по пушке Ф-42, уже в мае изготовило новое орудие, и оно было успешно испытано в башне КВ-2. До середины июня 1941 года пушка ЗиС-6 проходила заводские испытания, после чего ее отправили на артиллерийский научно-испытательный полигон под Ленинградом.
Любопытная деталь: в своих мемуарах «Оружие победы» В. Грабин пишет о 600 изготовленных пушках ЗиС-6, которые из-за отсутствия нужных танков осенью 1941 года пошли в переплавку. Однако тут главный конструктор завода № 92 явно лукавит: в отчете о работе своего завода за 1941 год, кстати, подписанного В. Грабиным в феврале 1942 года, сказано, что «в июле — августе 1941 года было изготовлено пять серийных орудий ЗиС-6, после чего их производство было прекращено из-за неготовности тяжелого танка».
В отличие от «артиллеристов», «танкисты» сильно опаздывали. Поэтому для ускорения работ по испытанию узлов и агрегатов танка КВ-3 решили использовать КВ-220 (тем более, что конструктивно они во многом были похожи). 20 апреля 1941 года на КВ-220 наконец-то установили новый двигатель, и танк, догруженный до 70 т — расчетной массы КВ-3, — вышел на испытания. К середине мая 1941 года он прошел 1330 километров. В докладе заводских испытателей отмечалось, что у танка «плохо переключаются передачи, гнутся оси опорных катков и балансиры, скручиваются торсионы подвески, мощности двигателя для 70-тонного танка не хватает». 20 мая КВ-220 встал на ремонт, в ходе которого машина получила дизельный двигатель с наддувом В-2СН мощностью 850 л.с. С 30 мая танк снова вышел на испытания, и к 22 июня 1941 года его общий пробег составил 1985 км. Что же касается непосредственно КВ-3, то к началу войны было готово шасси с двигателем, но из-за проблем, возникших с изготовлением штампованной башни, работа затянулась.
В июне 1941 года начались работы и по танку КВ-5. Старшим инженером машины был назначен талантливый конструктор Н. Цейц, один из старейших работников СКБ-2. Кроме него, в группу проектирования вошли К. Кузьмин (корпус), Л. Сычев (башня и установка вооружения), Н. Федорчук (ходовая часть).
КВ-5 разрабатывался на основе эскизного проекта КВ-4 Н. Цейца. Сохранив общую компоновку КВ-4, проект переделали так, чтобы использовать максимум элементов от КВ-1.
Главной особенностью КВ-5, отличавшей его от остальных КВ, но роднившей с КВ-2, была большая и высокая башня ромбовидной формы. Такая башня позволяла решить сразу несколько компоновочных проблем. Во-первых, казенник пушки при любых углах возвышения оставался в башне, во-вторых, командир танка и наводчик также умещались в башне и не были зажаты между казенником и погоном. Все это давало возможность обойтись сравнительно небольшим башенным погоном (у КВ-5 — 1840 мм), от которого требовалось воспринимать лишь нагрузку от выстрела. Кроме того, решение позволило разместить в большой башне КВ-2 152-мм гаубицу, при этом диаметр погона оставался как у КВ-1. Правда, высота танка возрастала, но ее можно было уменьшить за счет высоты корпуса в районе боевого отделения, сведя до размера, обеспечивающего только крепление элементов подвески.
Поэтому корпус КВ-5 в районе боевого отделения и отделения управления имел высоту всего 920 мм и повышался до 1300 мм в районе моторно-трансмиссионного отделения. Высоты 920 мм для размещения механика-водителя и стрелка-радиста не хватало. Проблема эта решалась установленным над головой механика-водителя бронированным откидным колпаком со смотровыми щелями, обеспечивавшими обзор лучший, чем на обычном КВ. Толщина брони колпака была как у лобового листа башни — 180 мм. На марше колпак приподнимался — так же, как на прототипах Т-35.