Сумятицу в планы внес и главный конструктор ОКБ-52 Владимир Николаевич Челомей (1914–1984), который вышел к руководству с проектом облета Луны по петлеобразной траектории одноместным лунным кораблем "ЛК". Причем корабль должен был выводиться на околоземную орбиту трехступенчатой ракетой "УР-500К" ("Протон-К"), разработанной в том же бюро.

В 1964 году, после того как американцы сообщили об успешном запуске тяжелой ракеты "Saturn I", руководство Советского Союза почувствовало, что приоритет в области космических технологий ускользает, и впервые всерьез рассмотрело вопрос об экспедиции на Луну в ЦК КПСС и Совете Министров. В принятом Постановлении № 655–268 "О работах по исследованию Луны и космического пространства" от 3 августа 1964 года главной задачей была заявлена высадка советского космонавта на поверхность Луны в 1967–1968 годах, к 50-летию Октября. Осуществление программы облета Луны было поручено ОКБ-52, а проект "7К-9К-11К" поддержки вновь не получил. Тогда же Владимир Челомей подписал аванпроект корабля "ЛК-1".

13 октября был смещен Никита Хрущев, и ОКБ-52 Владимира Челомея, который до того активно пользовался поддержкой главы государства, оказалось "за бортом". Руководство лунной программой полностью перешло к Сергею Королеву, больше того — тот получил возможность использовать все наработки Челомея по пилотируемому полету к Луне и, в частности, ракету "УР-500К" для своих задач.

Для начала на бумаге конструкторы ОКБ-1 попытались скрестить трехступенчатую ракету Челомея с модифицированным вариантом корабля "7К". Предлагались самые различные варианты: например, рассматривалась возможность создания упрощенного аппарата "7К-ПЛК" ("Простейший лунный корабль"). Все обсуждаемые модификации были проще и рациональнее, чем первоначальный "7К-9К-11К", и, как представлялось, имели реальные шансы на осуществление.

26 августа 1965 года у председателя Военно-промышленной комиссии состоялось совещание на тему "О состоянии работ по исследованию космического пространства. Луны и планет". Говорилось о неудовлетворительном ходе работ по лунным программам, что "ставит под угрозу приоритет СССР в области освоения космоса". Было предписано считать центральной задачей 1965–1967 годов осуществление облета Луны пилотируемым кораблем. Министерству общего машиностроения (которое и занималось развитием советской космонавтики) поручалось: в недельный срок представить график изготовления и отработки "УР-500К"; совместно с руководителями ОКБ-1 и ОКБ-52 в двухнедельный срок рассмотреть и решить вопрос о возможности унификации кораблей для облета Луны и высадки экспедиции на ее поверхность; в месячный срок представить программу летноконструкторских испытаний ракеты "УР-500К" и пилотируемого корабля.

Так, на базе двух проектов родилась новая советская программа облета Луны, проходившая под обозначением "УР-500К-Л1" ("УР-500К-7К-Л1"). 15 декабря 1965 года она была утверждена и стала основной.

В соответствии с проектом предполагалось провести полет вариантом корабля "Союз" ("7К-Л1"), старт которого с околоземной орбиты осуществлялся бы при помощи блока "Д", имеющего высокосовершенный ракетный двигатель замкнутой схемы на топливе кислород-керосин. Однако масса корабля вместе с блоком "Д" превышала возможности трехступенчатой "УР-500К". Поэтому придумали оригинальную схему. "УР-500К" выводит систему "разгонный блок — корабль" на близкую к орбитальной траекторию, но последняя ступень не добирает до 1-й космической скорости несколько сотен метров в секунду. Довыведение на промежуточную орбиту осуществляется при первом включении двигателя блока "Д", а пустая третья ступень после отделения совершает полувитковый полет и падает в океан. В расчетное время двигатель блока "Д" запускается второй раз и переводит систему на траекторию полета к Луне. Далее схема повторяла программу облета Луны, изученную в рамках первоначального варианта темы "Союз" ("7К-9К-11К").

С корабля "Союз", имеющего расчетную массу 6,5 т, были сняты системы, от которых при облете Луны показалось возможным отказаться. Из-за этого корабль лишился бытового отсека и состоял из спускаемого аппарата (СА) и приборно-агрегатного отсека (ПАО), который, в свою очередь, разделялся на переходный отсек, приборный отсек и агрегатный отсек. Сверху на спускаемом аппарате устанавливался опорный конус системы аварийного спасения. В центральной части конуса имелся проход для доступа космонавтов к гермолюку спускаемого аппарата, через который экипаж корабля должен был совершать посадку в корабль на стартовой позиции. Опорный конус сбрасывался на орбите Земли, перед стартом корабля к Луне.

Спускаемый аппарат имел сегментально-коническую форму с усиленным теплозащитным экраном, позволявшим совершать вход в атмосферу Земли со второй космической скоростью. Экран сбрасывался перед посадкой на Землю, на высоте нескольких километров. В спускаемом аппарате размещался пульт управления кораблем, бортовой вычислитель "Салют-3", научные приборы, фотоаппаратура, система жизнеобеспечения, элементы систем терморегулирования и радиосвязи, парашютная система, объекты биологических исследований, оптический ориентатор, аккумуляторная батарея, состоящая из восьми блоков. По сравнению с орбитальной версией "7К-ОК" в спускаемом аппарате корабля "7К-Л1" было увеличено число газовых двигателей системы управления спуском. В то же время в спасательном аппарате не устанавливалась запасная парашютная система. Снаружи в верхней части спускаемого аппарата размещалась остронаправленная параболическая антенна для радиосвязи с Землей, работающая в дециметровом диапазоне волн. Система ориентации и управления корабля была оснащена гироплатформой и новыми датчиками солнечно-звездной ориентации, работающими в комплексе с вычислителем "Салют-3".

Спускаемый аппарат соединялся с приборно-агрегатным отсеком с помощью переходного отсека, на котором располагались десять двигателей системы ориентации, работающие на перекиси водорода. По диаметру переходного отсека размещалась многовибраторная антенна командной радиолинии. В герметичном приборном отсеке находились буферные аккумуляторные батареи (основная и резервная) системы электропитания, приборы и аппаратура бортовых систем корабля. В негерметичном агрегатном отсеке размещалась корректирующая тормозная двигательная установка "КТДУ-53" с одним однокамерным двигателем многократного включения. В качестве горючего использовался несимметричный диметилгидразин, в качестве окислителя — смесь окислов азота в азотной кислоте. Топливо общей массой около 400 кг помещалось в четырех сферических баках в агрегатном отсеке. Кроме того, в агрегатном отсеке размещались двигатели системы ориентации, работающие на однокомпонентном топливе — перекиси водорода. На внешней поверхности находился радиатор-теплообменник системы терморегулирования корабля. Снаружи на приборно-агрегатном отсеке размещались две панели трехсекционных солнечных батарей. На концевых створках панелей находились антенны KB-диапазона для радиосвязи с Землей. У торца приборно-агрегатного отсека размещалась антенна УКВ-связи и радиотелеметрии.

В пилотируемом варианте корабля "7К-Л1" должны были устанавливаться дополнительные системы и устройства: два кресла с амортизаторами системы "Казбек" для размещения космонавтов, индикатор курса, астроориентатор, фотоаппарат "Салют-1М" с дополнительным длиннофокусным объективом "Таир-ЗЗС", кинокамера "16ЛK-K1" Красногорского завода, автоматический фотоаппарат "АФА-БАМ", фотоаппарат "СКД", индивидуальные дозиметры. В систему жизнеобеспечения вводился блок личной гигиены космонавтов. Бортовой вычислитель укомплектовывался долговременным запоминающим устройством "ДЗУ-4". Космонавты на корабле "7К-Л1 " должны были совершать полет в костюмах без спасательных скафандров.