В отличие от «артиллеристов», «танкисты» сильно опаздывали. Поэтому для ускорения работ по испытанию узлов и агрегатов танка КВ-3 решили использовать КВ-220 (тем более, что конструктивно они во многом были похожи). 20 апреля 1941 года на КВ-220 наконец-то установили новый двигатель, и танк, догруженный до 70 т — расчетной массы КВ-3, — вышел на испытания. К середине мая 1941 года он прошел 1330 километров. В докладе заводских испытателей отмечалось, что у танка «плохо переключаются передачи, гнутся оси опорных катков и балансиры, скручиваются торсионы подвески, мощности двигателя для 70-тонного танка не хватает». 20 мая КВ-220 встал на ремонт, в ходе которого машина получила дизельный двигатель с наддувом В-2СН мощностью 850 л.с. С 30 мая танк снова вышел на испытания, и к 22 июня 1941 года его общий пробег составил 1985 км. Что же касается непосредственно КВ-3, то к началу войны было готово шасси с двигателем, но из-за проблем, возникших с изготовлением штампованной башни, работа затянулась.

Фотокопия проектного чертежа танка КВ-4 инженера М. Цейца

В июне 1941 года начались работы и по танку КВ-5. Старшим инженером машины был назначен талантливый конструктор Н. Цейц, один из старейших работников СКБ-2. Кроме него, в группу проектирования вошли К. Кузьмин (корпус), Л. Сычев (башня и установка вооружения), Н. Федорчук (ходовая часть).

КВ-5 разрабатывался на основе эскизного проекта КВ-4 Н. Цейца. Сохранив общую компоновку КВ-4, проект переделали так, чтобы использовать максимум элементов от КВ-1.

Главной особенностью КВ-5, отличавшей его от остальных КВ, но роднившей с КВ-2, была большая и высокая башня ромбовидной формы. Такая башня позволяла решить сразу несколько компоновочных проблем. Во-первых, казенник пушки при любых углах возвышения оставался в башне, во-вторых, командир танка и наводчик также умещались в башне и не были зажаты между казенником и погоном. Все это давало возможность обойтись сравнительно небольшим башенным погоном (у КВ-5 — 1840 мм), от которого требовалось воспринимать лишь нагрузку от выстрела. Кроме того, решение позволило разместить в большой башне КВ-2 152-мм гаубицу, при этом диаметр погона оставался как у КВ-1. Правда, высота танка возрастала, но ее можно было уменьшить за счет высоты корпуса в районе боевого отделения, сведя до размера, обеспечивающего только крепление элементов подвески.

Поэтому корпус КВ-5 в районе боевого отделения и отделения управления имел высоту всего 920 мм и повышался до 1300 мм в районе моторно-трансмиссионного отделения. Высоты 920 мм для размещения механика-водителя и стрелка-радиста не хватало. Проблема эта решалась установленным над головой механика-водителя бронированным откидным колпаком со смотровыми щелями, обеспечивавшими обзор лучший, чем на обычном КВ. Толщина брони колпака была как у лобового листа башни — 180 мм. На марше колпак приподнимался — так же, как на прототипах Т-35.

Стрелок-радист имел в своем распоряжении башенку с пулеметом ДТ, установленную на постаменте так, что огонь можно было вести поверх колпака механика-водителя. Допускала она возможность и стрельбы по воздушным целям. Вторая такая башенка находилась на крыше башни. Установленный в ней пулемет обслуживался заряжающим.

В боевом отделении корпуса размещалась укладка с частью боекомплекта 107-мм пушки. Основной боекомплект укладывался в нишу башни.

Справа от пушки располагался командир танка. В его распоряжении была полноценная командирская башенка с пятью смотровыми приборами и небольшим перископом, который позволял вести наблюдение поверх пулеметной башенки. Слева от пушки находился наводчик, а в кормовой части башни — два заряжающих, наличие которых в составе экипажа, учитывая массу 107-мм унитарных выстрелов, было отнюдь не лишним, тем более, что в перспективе часть танков могла вооружаться 152-мм гаубицей-пушкой.

В моторно-трансмиссионном отделении параллельно устанавливались два дизеля В-2К мощностью по 600 л.с. каждый. Переход на двухдвигательную схему оказался вынужденной мерой, так как с началом войны шансов довести более мощные варианты В-2 с турбонаддувом уже не осталось. Не было и возможности получить в приемлемых количествах авиадизели М-30 или М-40.

Двигатели соединялись с коробкой передач и бортовыми фрикционами с помощью промежуточного редуктора.

Корпус КВ-5, в отличие от других КВ, не имел гнутых деталей (за исключением кормового нижнего листа). Бронелисты соединялись друг с другом гужонами и электросваркой. Толщина бортов и кормы корпуса достигала 150 мм, крыши и днища — 40 мм.

Поскольку при изготовлении штампованной башни КВ-3 возникло множество проблем, для КВ-5 башню решили изготовить из катаной брони. Лобовой 180-мм лист крепился к башне гужонами, а все остальные листы соединялись между собой шпоночным соединением «двойной ласточкин хвост». Такое соединение ни до, ни после не применялось в отечественном танкостроении (зато так собирался главный броневой пояс линкоров типа «Советский Союз»), было трудоемким, заставило установить бортовые листы башни вертикально, но обеспечило почти монолитную ее прочность.

К августу 1941 года проект КВ-5 был практически полностью завершен, началось изготовление ряда узлов и агрегатов танка. Но из-за тяжелой обстановки на фронте под Ленинградом все опытные работы на Кировском заводе прекратили и освободившиеся силы бросили на увеличение выпуска серийных КВ. Самая поздняя дата, обнаруженная на сохранившихся чертежах КВ-5, — 15 августа 1941 года, когда бои уже шли под Лугой и Красногвардейском.

А что же стало с танками Т-150, КВ-220 и КВ-3? Во многих публикациях можно найти упоминание о том, что эти машины (все или частично) были вывезены в Челябинск, туда же эвакуировали башни и другие детали танков КВ-3. Эта информация не подтверждается архивными документами. Например, в докладах представителей военной приемки на Кировском заводе, скрупулезно фиксировавших все данные о производстве танков КВ, четко сказано, что танки Т-150, КВ-220-1 (так именовался в документах военной приемки танк КВ-220) и КВ-220-2 (так именовался в документах военной приемки недостроенный танк КВ-3) никуда не эвакуировались и все время находились на Кировском заводе. В начале октября 1941 года, когда производство танков КВ в Ленинграде было практически полностью прекращено, опытные машины решили передать в войска. Они прошли необходимый ремонт, причем на КВ-3 и КВ-220 установили башни от серийных КВ-1, поскольку на КВ-3 башни не было вовсе, а на КВ-220 орудие окончательно было сломано еще в начале лета. Согласно документам военпредов, «танк Т-150, опытный, убыл 11 октября 1941 года в 123-ю танковую бригаду, танк КВ-220-1 заводской № М-220-1, опытный, убыл в 124-ю танковую бригаду 5 октября 1941 года, танк КВ-220-2 заводской № М-220-2, опытный, убыл в 124-ю танковую бригаду 16 октября 1941 года. Все танки вооружены 76-мм пушками Ф-32».