К концу 1947 года был выпущен предварительный отчет по теории составных ракет, включая анализ пакетных схем. Ученый совет НИИ-4 встретил оригинальную идею настороженно. Но Михаил Тихонравов верил в осуществимость проекта и 14 июля 1948 года в Академии артиллерийских наук зачитал расширенный доклад "Пути осуществления больших дальностей стрельбы ракетами". Выступление вызвало бурю негодования: мало кто из советских специалистов того времени поверил в практическую возможность достижения расстояний свыше 1000 км с помощью баллистических ракет. Поэтому сообщение Тихонравова о том, что "пакет" способен достичь любых дальностей и даже вывести на орбиту искусственный спутник Земли, взбудоражило зал. По иронии судьбы среди яростных критиков были и те, кто впоследствии сделались видными учеными в области космонавтики.

Революционный доклад чуть было не стал катастрофой для научной карьеры Михаила Тихонравова. Отдел тут же расформировали как "занимающийся неактуальными проблемами". Самого конструктора сняли с должности заместителя директора института, низведя до научного консультанта. Тогда в его судьбу вмешался Сергей Королев. В декабре 1949 года он выдал НИИ-4 официальный заказ на выполнение работы по теме "Исследование возможностей и целесообразности создания составных ракет дальнего действия типа "пакет"". Тихонравову не только вернули тему, но и позволили сформировать большую группу для научно-исследовательской работы. В марте 1950 года он сделал новый доклад под названием "Ракетные "пакеты" и перспективы их развития", который наконец-то получил одобрение научного коллектива.

Группой Тихонравова были подготовлены и представлены в правительство СССР два письма, в которых аргументированно излагались перспективы применения ракетных "пакетов". Они сыграли определенную роль в принятии Постановления правительства о создании ракет нового типа, подписанного Иосифом Сталиным 13 февраля 1953 года. Постановлением была задана тема "Т-1" — "Теоретические и экспериментальные исследования по созданию двухступенчатой баллистической ракеты с дальностью полета 7000–8000 км". Цель исследований — разработка эскизного проекта ракеты дальнего действия массой до 170 т с отделяющейся головной частью массой 3 т. Позднее, в октябре 1953 года, проектное задание было изменено: масса головной части увеличена до 5,5 т при сохранении дальности полета. Последнее решение приняли под влиянием неофициальной информации о техническом облике термоядерных зарядов нового поколения, которую предоставил один из идеологов данного направления — будущий академик Андрей Сахаров. Позднее выяснилось, что масса такого заряда может быть многократно уменьшена. Однако двигатели уже разрабатывались, и запас по тяге, который они давали, впоследствии сыграл решающую роль в реализации космических планов.

В январе 1954 года прошли совещания главных конструкторов, на которых были сформулированы технические требования к будущей ракете, согласованы основные тактико-технические характеристики, этапы конструирования и испытаний. Двадцатого мая 1954 года было принято Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР о разработке, изготовлении и испытаниях межконтинентальной ракеты "Р-7". Начался этап эскизного проектирования. При этом конструкторы рассмотрели более полусотни вариантов компоновки "пакета". В конечном итоге остановились на не самом оптимальном, но позволявшем использовать многие существовавшие технологические наработки.

"Пакет" "Р-7" состоял из пяти частей (фактически — одноступенчатых ракет): центрального блока "А" и четырех симметрично окружавших его конических боковых блоков "Б", "В", "Г" и "Д". Двигатели всех блоков запускались на старте одновременно. После опустошения топливных баков боковые части отделялись (первая ступень), а центральный блок (вторая ступень) продолжал полет. При этом внутренняя компоновка блоков была подобна схеме ракеты "Р-5", что значительно упрощало работу технологов. Новизну для них представляли лишь узлы связей частей. Основные компоненты топлива располагались в нижнем (горючее — керосин) и верхнем (окислитель — жидкий кислород) баках каждого блока. Вспомогательные компоненты (жидкий азот для наддува баков и перекись водорода для привода турбонасосного агрегата) размещались в торовых баках непосредственно над рамой двигателя.

Двадцать четвертого июля 1954 года эскизный проект "Р-7" был завершен. В августе, после рассмотрения и одобрения проекта Межведомственной экспертной комиссией, смежные организации получили технические задания. К созданию летных образцов ракеты подключались более двухсот научно-исследовательских институтов, конструкторских бюро и заводов. Но еще до завершения эскизного проектирования, в марте того же года, правительство Советского Союза распорядилось начать поиск места под новый ракетный полигон. Выбор остановили на пустынном районе Казахской ССР, у железнодорожной станции Тюратам. Именно туда отправились военные строители, чтобы возвести 5-й Научно-исследовательский полигон Министерства обороны (НИИП-5 МО), позднее получивший известность как космодром Байконур.

Первая летная ракета "Р-7" прибыла на техническую позицию полигона 3 марта 1957 года. Сразу началась разгрузка и укладка блоков на монтажные тележки. Целью испытаний было не только проверить все системы "Р-7" в полете, но и доставить габаритно-весовой макет боеголовки до специально организованного полигона Кура на Камчатке, находящегося на расстоянии 6314 км. Это было меньше проектной дальности, но в то время Советский Союз не располагал средствами наблюдения за движением ракеты в акватории Тихого океана. Кроме того, первые летные образцы были перегружены оборудованием (сами конструкторы называли их не летными, а измерительными) и в принципе не могли выйти на дальность 8000 км. Для гарантии безопасности населенных пунктов, расположенных по трассе полета, на "Р-7" была установлена комбинированная система аварийного выключения двигателя.

Вечером 15 мая 1957 года состоялся первый запуск межконтинентальной ракеты. Управляемый полет продолжался до 98-й секунды, но затем в боковом блоке "Д" начался пожар, и "изделие" врезалось в землю, пролетев всего 300 км. Второй запуск "Р-7", назначенный на 10 июня, не состоялся из-за проблем с зажиганием — ракету пришлось снимать со старта. Третья модель взлетела через месяц, 12 июля. И этот запуск закончился аварией — блоки упали в 7 км от старта и с грохотом взорвались. Три неудачи подряд поставили всю программу под угрозу срыва. У бюро Сергея Королева появились конкуренты, предлагавшие свои проекты межконтинентальных ракет. На полигоне состоялось весьма острое заседание Государственной комиссии. Представлявший заказчика маршал Митрофан Неделин предложил прекратить испытания, отправить все доставленные на полигон ракеты обратно в Москву и еще раз на стендах отработать каждую.

Несмотря на споры конструкторов и угрозы заказчика, к запуску начали готовить новую "Р-7". Двадцать первого августа 1957 года в середине дня состоялся старт четвертой по счету ракеты. На этот раз конструкторам сопутствовал успех — "Р-7" штатно отработала активный участок траектории. Головная часть отделилась вовремя и достигла полигона на Камчатке. Но тут же выявилась новая проблема — на высоте порядка 10 км макет боеголовки разрушился от перегрева. То же самое произошло со следующей "Р-7", запущенной 7 сентября: ракета доставила боеголовку, но та развалилась в плотных слоях атмосферы. Конструкторам стало ясно, что уносимой теплозащиты, которая была опробована на ракете "Р-5М", явно недостаточно — надо проконсультироваться с аэродинамиками и поменять форму головной части.