Работы по ее созданию в августе 1956 года поручили конструктору В.П. Макееву и ОКБ-1. Впоследствии коллектив этого конструкторского бюро стал основным разработчиком баллистических ракет морского базирования.
К работам над проектом этой ракеты в новом бюро (СКБ-385) приступили в середине 1956 года. Ракета Р-13 проходила летные испытания с июня 1959 по март 1960 года. На полигоне Капустин Яр был оборудован специальный комплекс, имитировавший подводную лодку в море, с которого провели 19 пусков (15 успешных). Затем с борта подводной лодки проекта 629 по программе совместных испытаний выполнили еще 13 запусков (11 успешных), после чего 13 октября 1961 года ракетный комплекс Д-2 с ракетой Р-13 был принят на вооружение.
Р-13 – одноступенчатая баллистическая ракета с маршевым двигателем на жидком топливе. Топливные баки были выполнены несущими и образовывали топливный отсек. Компоненты топлива – самовоспламеняющиеся при взаимном контакте окислитель – раствор четырехокиси азота в концентрированной азотной кислоте, горючее ТГ-2 – смесь ксилидина и триэтиламина. Бак окислителя заправлялся в базе, перед выходом подводной лодки на боевую службу, а бак горючего – в море из цистерн лодки непосредственно в ходе предстартовой подготовки. Сделано это было для повышения взрывобезопасности ракет.
Двигательная установка ракеты включала пятикамерный жидкостный ракетный двигатель с тягой 25,7 т. Он имел центральную и четыре рулевые камеры сгорания, и выполнялся по открытой схеме. Инерциальная система управления предназначалась для отработки начальных возмущений при старте с подводной лодки и вывода ракеты на заданную траекторию полета, стабилизации и программного управления ракетой, определения момента отделения головной части. Она обеспечивала точность стрельбы (КВО) 4 км.
Р-13 несла отделяемую в полете моноблочную головной часть с термоядерным зарядом мощностью в 1 Мт, что позволяло наносить удары по площадным целям. Головная часть снабжалась стабилизаторами.
Конструкция ракеты и пусковой установки позволяла производить старт ракеты с верхнего среза шахты в надводном положении лодки при скорости хода до 15 узлов, по любому курсовому углу и при волнении моря до пяти баллов.
В состав комплекса Д-2 входили три пусковые установки шахтного типа, корабельные приборы управления ракетной стрельбой и специальные системы. Приборы навигационных систем корабля обеспечивали подготовку ракетной стрельбы, выдавая в ракетный комплекс данные о месте, скорости и курсе, углах качки подводной лодки.
Как и Р-11ФМ ракета Р-13 могла быть запущена только из надводного положения (время предстартовой подготовки составляло 15 – 20 минут), что значительно снижало боевую ценность новых подводных лодок. И даже большая унификация конструкции с Р-5М, что удешевляло производство, в данном случае не играла заметной положительной роли. Советская ракета Р-13 по всем основным показателям уступала созданной несколько раньше американской БРПЛ «Поларис-А1».
Ракеты Р-13 состояли на вооружении дизельных подводных лодок проекта 629А и атомной – проекта 658 до 1973 года и уступили свое место более совершенным представителям своего класса. За это время было проведено 311 пусков этих ракет, из которых 225 признано успешными. 38 пусков оказались неудачными из-за отказов систем ракеты и стартового оборудования, а еще 38 – из-за ошибок личного состава. Причины 10 неуспешных пусков установлены не были.