125-мм пушкой Д-81 было решено вооружить танки Т-62 и об. 432. В конце 1961 г. – начале 1962 г. возникли споры о типе заряжания Д-81. ОКБ-9 предложило раздельно-гильзовое, а главный конструктор УВЗ Карцев требовал унитарное заряжание. Представитель НИИ-24 заявил, что унитарный выстрел с осколочно-фугасным снарядом будет весить около 40 кг, и, кроме того, применение унитарных выстрелов приведет к уменьшению объема каморы и, соответственно, к ухудшению баллистики. В конце концов, было решено делать раздельно-гильзовое заряжание.
Полномасштабные работы по Д-81 были начаты по решению Министерства обороны и ГКОТ от 11 августа 1962 г. Интересно, что военные еще не очень верили в гладкоствольные пушки, и параллельно со 125-мм гладкоствольными пушками было начато проектирование 122-мм нарезной пушки Д-83. В техзадании на пушки было сказано, что Д-81 и Д-83 должны отличаться только трубами ствола и быть взаимозаменяемыми при установке в танк. По проекту Д-83 должна была иметь подкалиберный снаряд весом 6,5 кг, давление в канале-4000 кг/см² и начальную скорость -1610 м/с. Заряжание Д-83 раздельно-гильзовое. Разработка двухплоскостного стабилизатора для Д- 81 и Д-83 велась в ЦНИИ-173.
Отдача пушек Д-81 и Д-83 оказалась столь велика, что в качестве полигонных станков для них пришлось брать лафеты на гусеничном ходу от орудий большой мощности. В апреле 1963 г. ОКБ-9 отправило на полигон в Павлоград одну баллистическую установку Д-81 БЛ на лафете 203-мм гаубицы Б-4, а в июне 1963 г. – одну баллистическую установку Д-83БЛ на лафете 280-мм мортиры Бр-5. Еще одна баллистическая установка Д-81 БТ была отправлена для монтажа в танк об. 432 в июле 1963 г.
В апреле 1964 г. завод № 9 изготовил 5 опытных образцов пушки Д-81, которые в мае 1964 г. были отправлены:
две – в Харьков на завод им. Малышева для монтажа в об. 432;
две - в Нижний Тагил на Уралвагонзавод для монтажа в об. 167 1* ;
пятая пушка была оставлена для испытаний на заводе № 9.
Первый танк со 125-мм пушкой был поставлен в НИИ-24 в конце апреля 1964 г. для отработки выстрелов.
На испытаниях пушки Д-81 в первой половине 1964 года был подобран единый за ряд для кумулятивного и осколочно-фугасного снаряда. Дальность прямого выстрела кумулятивного снаряда составила 1020 м. Бронепробиваемость – 200 мм под углом 60°. Осколочно-фугасный снаряд чертежа 6873 имел дальность стрельбы 10600 м при угле 14°.
Стрельбы же подкалиберными снарядами дали неудовлетворительные результаты, особенно по кучности. На дистанции 2000 м подкалиберный снаряд на пределе пробивал 150-мм броню под углом 60° к нормали, а по нормали – 270 мм. Начальная скорость подкалиберного снаряда составила 1800 м/с, а давление в канале-4620 кг/см² .