Возможности Северного машиностроительного предприятия позволяли несколько увеличить длину корпусов строящихся подводных лодок семейства «667». В результате возникла идея при сохранении сложившейся технологии несколько удлинить корпус строящихся лодок и увеличить их ракетный боекомплект, улучшив тем самым показатели системы оружия по критерию «эффективность — стоимость». В июне 1972 г. ЦКБ Центральное конструкторское бюро МТ «Рубин» было выдано тактико-техническое задание на разработку усовершенствованного варианта лодки проекта 667Б Мурена, способного нести не 12, а 16 ракет типа РСМ-40. Новый атомоход получил код "667БД Мурена-М". Модернизированные корабли должны были строиться по технологическому циклу предшествующего проекта, с сохранением прежнего комплектующего оборудования, так как на СМП имелся большой производственный задел по лодкам проекта 667Б Мурена. Это обусловило минимум конструкционных изменений, вносимых в новый проект. Для размещения дополнительного числа ракет в корпус лодки в районе 4—5 шпангоутов было решено «врезать» дополнительную секцию длиной 16 м, сохранив остальные элементы конструкции корабля прежними. В результате число водонепроницаемых отсеков прочного корпуса увеличилось с 10 до 11 (добавился дополнительный ракетный отсек 5-бис). Водоизмещение корабля возросло на 1500 т, а скорость снизилась на 1 узел.

Был реализован комплекс мер по дополнительному снижению шумности подводной лодки, а также уменьшению помех работе собственных гидроакустических средств. В частности, механизмы паротурбинной установки смонтировали на специальных вибропоглощающих фундаментах, оборудованных двухкаскадной системой амортизации. Были применены новые звукопоглощающие и вибродемпфирующие покрытия. Трубопроводы и гидравлические устройства отделили от корпуса корабля виброизоляцией. Увеличение дальности пуска ракет привело к смещению районов боевого патрулирования новых РПКСН Ракетный подводный крейсер стратегического назначения в арктические районы. В результате потребовалось принятие дополнительных мер по улучшению условий плавания подводной лодки во льдах. В частности, носовые горизонтальные рули, установленные на ограждении рубки, выполнили поворотными: для облегчения всплытия в ледяных полыньях они разворачивались на 90°, устанавливаясь вертикально. Подводная лодка получила автоматизированный общекорабельный телевизионный комплекс, обеспечивающий подледное и внутриотсечное наблюдение, визуализацию пространственного положения корабля и вывод на экраны, установленные в главном командном пункте картины ближней надводной и воздушной обстановки по данным перископа.

Вместо боевой информационно-управляющей системы «Туча» на корабле была установлена несколько более совершенная БИУС Боевая информационно-управляющая система «Алмаз». На лодке проекта "667БД Мурена-М" была впервые применена система электрохимической регенерации воздуха (ЭРВ-М) путем электролиза воды (для получения кислорода) и поглощения углекислого газа твердым регенерируемым поглотителем. Были внедрены более совершенные технические средства поддержания заданных норм обитаемости на борту корабля.