Первый экспериментальный пуск баллистической ракеты Р-5М с головной частью, оснащенной ядерной боеголовкой, состоялся 2 февраля 1956 года. Данная операция получила название «Байкал», ставшая первым полномасштабным натурным испытанием ракетно-ядерного оружия. Стартовав со специальной площадки «4Н» полигона «Капустин Яр», преодолев расстояние 1 200 километров, ракета прошла по заданному курсу и благополучно достигла расчетной точки в районе Аральских Каракумов.

Развитие атомной промышленности в СССР и накопленный опыт советских конструкторов при создании баллистических ракет позволили в начале 1950-х годов приступить к проектированию ракеты с ядерной боеголовкой. Так, в апреле 1954 года на базе баллистической ракеты Р-5 коллективами конструкторских бюро, возглавляемых Сергеем Королевым, начались работы по созданию новой ракеты, предназначенной для доставки к цели ядерных боеголовок.

Прежде всего модернизация коснулась боевого оснащения ракеты, двигательной установки и системы управления. По требованию военных, конструкторы искали пути повышения боевых возможностей данного вида вооружения. Ну и, конечно, много сил ушло на разработку ядерной головной части ракеты, которая должна была отделяться от основного корпуса на конечном участке полета. В итоге, меньше чем за год была создана одноступенчатая тактическая баллистическая ракета, получившая обозначение Р-5М.

Ее летные испытания проходили на полигоне «Капустин Яр». Первый испытательный пуск ракеты Р-5М, но без ядерного заряда, а имевшей обычную головную часть, состоялся здесь 20 января 1955 года. В течении года была проведена целая серия пусков данного типа ракет, оснащенных имитатором головной части.

Первый пуск ракеты Р-5М с ядерной боеголовкой был осуществлен 2 февраля 1956 года. Ракета успешно поразила заданную цель, расположенную на дальности 1 200 километров. После срабатывания ударного взрывателя произошел запланированный наземный атомный взрыв мощностью 80 Килотонн.

Условная цель была поражена с удивительной по тем временам точностью. Поскольку испытания прошли успешно, то в июне того же года постановлением правительства баллистическая ракета средней дальности Р-5М была принята на вооружение инженерных бригад РВГК - на боевое дежурство было поставлено 24 ракетных комплекса, в следующем году их количество удвоилось.

С развертыванием этих ракет была впервые практически отработана концепция эксплуатации ракетно-ядерного оружия и теоретически решены задачи его боевого применения. К тому же, считается, что ракета Р-5М дала старт «рождению» нового вида Вооруженных сил - Ракетных войск стратегического назначения. В самом начале воинские части, эксплуатирующие головные части и ядерные заряды, функционировали в составе так называемых полевых специальных сборочных бригад при инженерных дивизионах.

Помимо вооруженных сил ракеты Р-5М широко использовалась для проведения научных исследований и для создания новых систем ракетно-космической техники. На вооружении Р-5М оставалась до 1959 года, на смену ей пришла новая, более совершенная ракета Р-12, тогда началось постепенное сокращение комплексов Р-5М, а окончательное снятие их с боевого дежурства произошло в 1968 году.