K-27 je jedina podmornica napravljena po projektu 645 ŽMT. Izgradnja je započeta 15. lipnja 1958. Podmornica je porinuta u vodu 1. travnja 1962. godine, a predana mornarici 30. listopada 1963.
U arsenalu je imala četiri torpedna aparata kalibra 522 mm, smještena na krmi. U okviru projekta 645 je prvi put u svjetskoj praksi na podmornicama primijenjen uređaj brzog punjenja torpednih aparata. Svaki torpedni aparat je imao vlastiti mehanizam za punjenje, tako da su se torpeda mogla ubacivati istovremeno.
Posada K-27 na čelu s "I. I. Guljajevom" otisnula se u prvi pohod 21. travnja. U podmornici su bili i članovi vladine komisije – viceadmiral G. N. Holostjakov, kontraadmiral I. D. Dorofejev i u ime tvornice, glavni projektant podmornice "A. K. Nazarov" i konstruktor projektnog biroa "SKB-143", G. D. Moroskin. Oni su bili odgovorni za isporuku podmornice i motora ratnoj mornarici. Doduše, imali su i drugi zadatak – da u slučaju izvanredne situacije i nesreće, pomognu posadi u otklanjanju kvara.
I takva situacija se zaista dogodila. Došlo je do kvara reaktora s lijeve strane podmornice. Istopljeni metal je prodro u plinski sustav prvog sektora i tamo se stvrdnuo, što je odmah izazvalo slabljenje vakuuma. Izvanredna situacija se morala hitno riješiti. Zapovjednik diviziona, kapetan 3. klase A. V. Špakov, odsjekao je i ručno očistio, a zatim zavario cijev u kojoj se stvrdnuo istopljeni metal. Posao je odrađen vrlo pažljivo i oprezno, jer je kvar bio blizu aktivne zone reaktora.
U ekvatorijalnim vodama je provjeren sustav hlađenja reaktora. Temperatura vode u oceanu je bila 25-27 stupnjeva, a u komorama s reaktorom i turbogeneratorom je dostizala 60 stupnjeva. U drugim odsjecima se kretala oko 45 stupnjeva uz stopostotnu vlažnost. Pa ipak, čak i u tako složenim uvjetima, sustav hlađenja reaktora je odradio svoj posao, iako je, kako ističu stručnjaci, radio na granici mogućnosti. U tom prvom pohodu podmornica K-27 je oborila svjetski rekord u dužini podvodne plovidbe – provela je u moru 51 dan i prešla preko 12 000 milja (22 224 km).
Za uspješno testiranje nove tehnike zapovjednik nuklearne podmornice K-27, kapetan 1. ranga Ivan Ivanovič Guljajev, nagrađen je Lenjinovim ordenom i uručena mu je Zlatna zvijezda Heroja Sovjetskog Saveza.
Podmornica K-27 je 1965. krenula u drugi pohod i ponovo oborila rekord po dužini plovidbe bez izlaska na površinu. Ovoga puta je pod vodom provela 60 dana i prevalila 15 000 milja (oko 28 000 km).
Nažalost, 24. svibnja 1968. godine u Barentsovom moru je na ovoj podmornici došlo do ozbiljne nesreće. Stradala je cijela posada. Jedan podmorničar je izgubio život u podmornici, a osmorica su kasnije u bolnici umrla od visokih doza radijacije.
Plovilo je 1. veljače 1979. godine povučeno iz arsenala Ratne mornarice SSSR-a. U travnju 1980. je doneta donesena odluka da se nuklearna komora konzervira, a 10. rujna 1981. je cijela podmornica potopljena blizu poluotoka Stepovoj u Karskom moru, u sjeveroistočnom dijelu arhipelaga Nova Zemlja. Kako kažu stručnjaci, podmornica K-27 je napredni izum sovjetske znanosti na kojem su isprobani novi materijali i nove tehnologije.
Nuklearna podmornica K-27 je imala podvodni deplasman 4 370 tona, bila je dugačka 109,8 metara, široka 8,3 i visoka 9,4 metra. Maksimalna dubina joj je bila 300 metara, a radna dubina 270 metara. Razvijala je maksimalnu brzinu od 30,2 čvora i mogla ploviti 50 dana u autonomnom režimu. Imala je 105 članova posade.