Первые серийные танки сошли с конвейера завода имени Малышева в октябре 1963 года. На сентябрь 1964 года были выпущены 54 танка, а к 1 декабря 1965 года — 218 машин. Практически все эти танки поступали в опытную эксплуатацию в 41-ю гвардейскую танковую дивизию, дислоцировавшуюся в Чугуеве, недалеко от Харькова. Это позволяло оказывать военным квалифицированную заводскую помощь, крайне необходимую им при освоении новых, сложных, капризных и ненадежных машин.
«Объект 432» был принят на вооружение постановлением Совмина СССР от 30 декабря 1966 года под обозначением Т-64. Выпускался серийно до 1969 года.
Корпус танка Т-64 сваривался из катаных броневых листов, расположенных в носовой части под большими углами наклона. Борта корпуса — вертикальные, в средней части имели выштамповку для увеличения внутреннего объема и установки башни. Башня представляла собой фасонную отливку из броневой стали, к верхней части которой приваривалась крыша. Максимальная толщина брони по горизонтальной составляющей (по западным данным) достигала у корпуса — 815 мм, у башни — 460…627 мм.
В башне танка устанавливалась 115-мм гладкоствольная пушка Д-68, стабилизированная в двух плоскостях. Боекомплект состоял из 40 выстрелов раздельно-гильзового заряжания, из которых 30 находились в конвейере механизма заряжания в L-образных кассетах. Снаряды располагались в кассетах горизонтально «головами» к оси вращения. Заряды с частично сгорающей гильзой устанавливались вертикально, металлическими поддонами вверх.
В кормовой части башни был смонтирован механизм заряжания гидроэлектромеханического типа. В боекомплекте имелись снаряды трех типов: осколочно-фугасные, бронебойно-подкалиберные и кумулятивные. После нажатия наводчиком кнопки выбранного боеприпаса на пульте управления механизма заряжания происходил поворот конвейера, извлечение кассеты из боеукладки, разворот снаряда и заряда в линию и досылание их в казенник. После выстрела механизм улавливания захватывал поддон и укладывал его в освободившийся лоток конвейера. С пушкой был спарен 7,62-мм пулемет ПКТ с боекомплектом 2000 патронов.
Силовая установка танка состояла из двигателя 5ТДФ — 5-цилиндрового, рядного, горизонтального, двухтактного, турбопоршневого дизеля жидкостного охлаждения с прямоточной продувкой, поршневым газораспределением, встречно-движущимися поршнями и двухсторонним отбором мощности. Мощность двигателя составляла 700 л.с. при 2800 об/мин.
Трансмиссия — планетарная с семью передачами вперед, одной назад и фрикционным включением. Состояла из двух планетарных бортовых коробок передач с соосными планетарными бортовыми передачами.
Ходовая часть применительно к одному борту состояла из шести сдвоенных опорных катков с внутренней амортизацией, четырех одинарных поддерживающих катков, ведущего колеса заднего расположения и направляющего колеса. Подвеска индивидуальная торсионная. В узлах подвески 1, 2 и 6-го опорных катков были смонтированы гидравлические телескопические амортизаторы. Гусеницы стальные мелкозвенчатые с РМШ шириной 540 мм и 78–79 траками в каждой.
Двигатель, трансмиссия и ходовая часть позволяли машине массой 36 т развивать скорость до 65 км/ч. Запас хода по шоссе до 700 км (с дополнительными топливными бочками). Экипаж танка состоял из 3 человек.
В 1963 году, параллельно с конструкторским сопровождением серийного производства Т-64, началась работа по установке в этот танк новой 125-мм гладкоствольной танковой пушки Д-81Т (2А26). Технический проект танка, которому был присвоен индекс «объект 434», выполнили в 1964 году. В этом же году была изготовлена установочная партия из 20 машин, которые в 1966–1967 годах проходили войсковые испытания. В мае 1968 года новый танк был принят на вооружение Советской армии под обозначением Т-64А.