El K-27 fue el único submarino que se construyó del proyecto 645. La peculiaridad de esta serie era el uso de metal líquido como refrigerante del propulsor. El sumergible fue puesto en quilla el 15 de junio de 1958 y botado al agua casi cuatro años más tarde, el 1 de abril de 1962. El 30 de octubre de 1963, inició su servicio histórico en la Armada de la Unión Soviética.
El 21 de abril de 1964, el K-27 zarpó en su primera misión bajo el comando del capitán de navío Iván Guliáev. A bordo de la embarcación también se encontraban altos cargos de la Armada y los constructores del buque, todos miembros de una comisión especial responsable de la puesta en servicio del submarino y del funcionamiento de su planta de energía. Además, también había responsables de proporcionar auxilio a la tripulación en caso de situaciones de emergencia.
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El primer viaje del K-27 se extendió hasta el 11 de junio de 1964 y se convirtió en la navegación submarina ininterrumpida más extensa de una embarcación atómica hasta aquel momento: ¡51 días sin salir a la superficie! La misión, cuyo inicio había tenido lugar en el Ártico, terminó en las aguas ecuatoriales del océano Atlántico, recorriendo un total de más de 12.000 millas —unos 22.200 kilómetros—, lo que estableció el récord de la mayor distancia recorrida por este tipo de embarcación.
El 1 de febrero de 1979, el K-27 fue finalmente retirado de servicio. Aunque pasó por situaciones críticas e incluso por un gran accidente en el que nueve miembros de su tripulación fallecieron, el sumergible es considerado un invento avanzado de la ciencia soviética. En él se probaron novedosas tecnologías y materiales que permitieron hacer progresar a la industria naval del país.