Испытания проводились на полигоне Байконур. 28 сентября 1963 года состоялся первый пуск, который завершился неудачно. Несмотря на первоначальные неполадки и отказы члены государственной комиссии под руководством генерал- лейтенанта М. Г. Григорьева признали ракету перспективной и в конечном успехе не сомневались. Принятая к тому времени система испытаний и отработки ракетного комплекса позволила одновременно с летными испытаниями развернуть серийное производство ракет, технологического оборудования, а также строительство стартовых позиций. В конце мая 1966 года весь цикл испытаний был завершен, а 21 июля следующего года БРК с МБР Р-36 приняли на вооружение.
Двухступенчатая Р-36 выполнена по схеме «тандем» из высокопрочных алюминиевых сплавов. Первая ступень обеспечивала разгон ракеты и состояла из хвостового отсека, двигательной установки и несущих топливных баков горючего и окислителя. Топливные баки наддувались в полете продуктами сгорания основных компонентов и имели устройства для гашения колебаний.
Двигательная установка состояла из шестикамерного маршевого и четырехкамерного рулевого жидкостных ракетных двигателей. Маршевый ЖРД собирался из трех одинаковых двухкамерных блоков, укрепленных на общей раме. Подачу компонентов топлива к камерам сгорания обеспечивали три ТНА, турбины которых раскручивались продуктами сгорания топлива в газогенераторе. Суммарная тяга двигателя у земли составляла 274 т. Рулевой ЖРД имел четыре поворотные камеры сгорания с одним общим турбонасосным агрегатом. Камеры устанавливались в «карманах» хвостового отсека.
Вторая ступень обеспечивала разгон до скорости, соответствующей заданной дальности стрельбы. Ее топливные баки несущей конструкции имели совмещенное днище. Размещенная в хвостовом отсеке двигательная установка состояла из двухкамерного маршевого и четырехкамерного рулевого жидкостных ракетных двигателей. Маршевый ЖРД РД-219 по конструкции во многом аналогичен двигательным блокам первой ступени. Основным отличием было то, что камеры сгорания были рассчитаны на большую степень расширения газа и их сопла также имели большую степень расширения. В состав двигателя входили две камеры сгорания, питающий их ТНА, газогенератор, агрегаты автоматики, двигательная рама и другие элементы. Он развивал тягу в вакууме 101 т и мог работать в течение 125 секунд. Рулевой двигатель по конструкции не отличался от двигателя, установленного на первой ступени.
Все ЖРД ракеты были разработаны конструкторами ГДЛ-ОКБ. Для их питания применялось двухкомпонентное самовоспламеняющиеся при контакте топливо: окислитель — смесь окислов азота с азотной кислотой, горючее — несимметричный диметилгидразин. Для заправки, слива и подачи компонентов топлива к ракетным двигателям на ракете устанавливалась пневмогидросистема.
Ступени отделялись друг от друга и головной части посредством срабатывания разрывных болтов. Для исключения соударений было предусмотрено торможение отделившейся ступени за счет срабатывания тормозных пороховых двигателей.