Basé sur le Projet 633 (Classe Romeo), le développement du Projet 654 destiné à la construction en série a été confié au bureau d’étude Lazurit (TsKB-112) le 6 décembre 1956. Ce devait être le premier sous-marin soviétique avec un design basé sur celui de l’USS Albacore américain. L’étude comportait trois versions du Projet, dont une variante. La variante envisageait de nouvelles formes architecturales de la coque et des contours plus parfaits. Malheureusement, les illustrations font défaut !

L’armement, constitué uniquement de torpilles, était concentré dans le compartiment avant. Le sous-marin était conçu en tenant compte des dernières avancées scientifiques et techniques de cette époque (sa propulsion, sa maniabilité et son armement devaient surpasser celles des Projets 613 (Whiskey) et 633 (Romeo).

Le sous-marin avait un déplacement d’environ 1.600 tonnes, la vitesse maximale du sous-marin en croisière devait atteindre 20 nœuds, la distance de navigation sous l’eau en navigation économique étant de cinq nœuds – 700 miles. L’armement des torpilles consistait en six tubes pour des torpilles de 533 mm et quatre d’un calibre de 400 mm. Ces torpilles devaient pouvoir être tirées à 200 m de profondeur. L’abandon de ce projet marqua la fin des sous-marins de moyen tonnage pour l’Union soviétique. Le Projet envisageait un certain nombre de structures originales, notamment des cloisons transversales cylindriques et des cloisons massives embouties et soudées.

En 1958, TsKB-112 a commencé à produire des dessins d’exécution, en parallèle des préparatifs pour la construction du navire de tête à l’usine « Red Sormovo » à Gorki.

La conception des sous-marins a été abandonnée au stade de la production des dessins d’exécution, puisqu’au cours des années 1960, la construction à grande échelle de sous-marins nucléaires a été lancée. Dans le plan sur sept ans pour le développement de l’économie nationale de l’URSS pour 1959-1965, la construction du sous-marin moyen du Projet 654 n’a pas été retenue.

En 1959, OKB-52 a entamé le développement du missile anti-navires P-5 RG (missile à tête chercheuse radar créé à partir du missile de croisière P-5). La Direction de la construction navale a évoqué le Projet P654 pour porter ce nouveau vecteur. Toutefois, l’usine de Krasnoe Sormovo avait déjà commencé les préparatifs en vue de la construction de sous-marins pouvant remplir ce rôle (Projet 651 – Classe Juliett). Le développement du Projet P654 a ainsi été suspendu puis annulé.