一个名为"obyekt 430"的项目诞生了三个原型车，在1958年在库宾卡进行了测试。这些车辆具有将会影响并从根本上改变铁幕这一侧坦克设计的特征。第一次使用了一个极其紧凑的对置活塞发动机：4TD，由该工厂的发动机设计团队设计。传动系统包括发动机两侧的两个侧齿轮。这两项创新使得发动机舱非常短，进气口位于炮塔下方。发动机舱容积几乎是T-54的一半。安装了改进的冷却系统和新型轻型悬挂系统，采用了直径较小的中空金属车轮和带有橡胶连接件的履带。
这辆坦克将装备D-54TS火炮，正面装甲厚达120毫米。由于与即将投入使用的T-55相比在作战特性上并没有明显优势，莫罗佐夫决定由于项目的缺点，生产尚未准备就绪。然而，在Object 430U上进行的研究表明，该坦克具有搭载重型坦克火力和装甲到中型坦克底盘上的潜力。因此，随后启动了一个新项目，Object 432。
Object 432
这辆新坦克上装备了一门强大的115毫米D-68（2A21）火炮。这是一项潜在风险的决定，即用自动装弹系统取代人类装弹手，因为这项技术对俄罗斯设计师来说是新的。机组人员减少到三人，这使得内部体积和外部可见轮廓大大减小，从36吨（obyekt 430）降至30.5吨。高度降低了76毫米。
然而，英国105毫米L7火炮和美国M68型号，装备在Centurion和M60坦克上，迫使团队进行另一次大胆的首次尝试，采用复合装甲。这种当时的新工艺被西方军队称为“K组合”：这种保护层由两层高强度钢板之间夹铝合金层构成。因此，原型车的重量最终上升到34吨。但是，由于发动机是一台700马力（515千瓦）的5TDF（也是本地设计），其机动性仍然非常出色，远远超过T-62。obyekt 432在1962年9月准备就绪，并于1963年10月在哈尔科夫工厂开始生产。1966年12月30日，它作为T-64装备进入服役。
T-64A
即使第一批T-64开始下线，设计团队也正在研发一款名为Object 434的新版本，以确保其保持火力优势。这辆坦克装备了全新而非常强大的来自彼尔姆武器工厂的125毫米D-81T火炮。这门火炮仅仅是T-62的115毫米滑膛炮的放大版本。125毫米弹药的体积较大意味着T-64内部携带的弹药量较少，这种条件下搭载第四名装弹手也占据了空间，这辆坦克只能携带25发弹药。对苏联设计师来说，这是无法接受的低容量，但严格的尺寸参数使他们无法扩大坦克以增加内部空间。解决方案是用自动装弹机替换人类装弹手，将机组人员减少到三人，并标志着苏联主战坦克首次使用自动装弹机。6ETs10自动装弹机可携带28发炮弹，每分钟可发射8发；稳定器2E23与新的TPD-2-1（1G15-1）瞄准器相结合。夜间驾驶系统也经过了改进，使用了新的TPN-1-43A潜望镜，该潜望镜受益于左侧炮管上配备的强大红外L2G投影仪的照明。装甲得到了改进，玻璃纤维取代了铝合金，沿着挡泥板安装了小弹簧支撑板（称为Gill挡板），以覆盖悬挂顶部和侧面油箱。然而，它们非常脆弱，经常被破坏。炮塔上添置了一些小的存储空间，右侧有一个舱室，前左侧有三个箱子。气管装在炮塔后部。装备了NBC防护系统，舱口被加宽。
原型车在1966年和1967年进行了测试，随着T-64的第六百辆下线，新型号生产开始后，它以T-64A的名称进入苏联军队服役。首席工程师莫罗佐夫因这款型号的成功获得了列宁奖。
T-64A设计用于精英部队，随着可用设备的改进，不断进行更新。在服役仅三年后，进行了第一次现代化升级，涉及：
· 通过用具有光学巧合测距仪的TPD-2-49日间瞄准镜和TPN-1-49-23夜间瞄准镜替换瞄准器来进行火控改进，并通过安装2E26系统来进行稳定。
· 通过安装R-123M来改进无线电通讯。
· 驾驶员夜视采用TBN-4PA，坦克指挥官采用TNP-165A。他的指挥岗位通过安装一个小型稳定炮塔，配备一个12.7毫米×108口径的NSVT高射机枪，通过光学PZU-5瞄准器电子制导，供弹量为300发，进行了改造。它可以在坦克内部使用，以便坦克指挥官避免暴露（与以前的坦克一样）。还增加了安装KMT-6防雷系统的可能性。
同时出现了一款衍生版本，专为指挥官设计，名为T-64AK。它包括一台带有10米伸缩天线的R-130M无线电，由于需要遮罩，只能在静止位置使用，炮兵瞄准圈PAB-2AM和TNA-3导航站；所有这些都可以由一个辅助汽油发动机供电。
在1976年，通过安装D-81TM（2A46-1），通过2E28M2稳定，由自动6ETs10M供弹系统进行了武器系统的改进。夜视器用TNPA-65替换，发动机可以接受不同燃料，包括柴油、煤油或汽油。
在1981年后，大多数T-64A进行了进一步的现代化，每侧炮管上安装了六个烟雾弹发射器81毫米902A，并用橡胶挡板替换了Gill板，以延长使用寿命。一些型号在1985年后加装了反应砖（如T-64AV），甚至在1981年用激光TPD-K1测距仪取代了光学TPD-2-49光学巧合测距仪。几乎所有T-64坦克在1977年至1981年间被改装成T-64R，通过重新组织外部储存和气管，类似于T-64A。
T-64B
设计团队继续着新版本开发的工作。随着在三家工厂（哈尔科夫的马里舍夫工厂、列宁格勒的基洛夫工厂和乌拉尔车辆厂）生产产能力不足，5TDF发动机的安装出现了问题。
从1961年开始，对Object 432的替代方案进行了研究，使用了一台12缸V-45发动机：Object 436。1966年，在切尔亚宾斯克工厂测试了三台原型车。上层下令研发一款基于434号车的型号，使用相同发动机的Object 438，后来更名为Object 439。1969年建造并测试了四辆这种类型的坦克，显示出与生产版本相同的机动性，但未开始大规模生产。然而，它们作为设计T-72发动机舱的基础。
在1970年代初，设计团队试图进一步改进坦克。1973年的T-64A-2M研究，拥有更强大的发动机和强化的炮塔，为两个项目奠定了基础：
· Object 476装备了一台6TD 1000马力（735千瓦）的发动机，作为T-80战斗舱的模型。
· Object 447具有新的火控系统，配备激光测距仪，能够发射炮发式反坦克导弹。
对于后者，军方下令开始生产，命名为T-64B，以及一个衍生版本（与其95%的部件共享），Object 437，出于成本原因取消了导弹制导系统。后者几乎是T-64B1的两倍产量。1976年9月3日，T-64B和T-64B1被宣布适合服役，配备改进的D-81Tm火炮（2A46-2），带有2E26M稳定器、一个6ETs40装弹机和一个1A33火控系统，包括：
一个1V517弹道计算器
一个带有激光测距仪的1G21瞄准器
一个1B11侧风传感器。
该车的涉水能力达到1.8米。T-64B能够发射新型的9M112“科博拉”无线制导导弹（北约代号“AT-8歌手”）。该车载有8枚导弹和28发炮弹。导弹控制系统安装在坦克指挥官小炮塔的前方，并进行了许多改动。T-64B1只携带37发炮弹，有2,000发7.62毫米子弹，而T-64B只有1,250发。
它们在1981年进行了升级，将火炮更换为2A46M1，稳定器更换为2E42，并在每侧炮管旁分别安装了两组四个902A“Tucha-1”烟雾弹发射器。制造了两种指挥版本，与T-64AK非常相似：T-64BK和T-64B1K。
1979年10月决定开始生产6TD发动机，由于与5TDF发动机极其相似，经过一些研究后，它被安装在B和B1版本，以及A和AK版本中，生产出了新的型号T-64AM、T-64AKM、T-64BM和T-64BAM，于1983年投入使用。
所有版本在1987年结束生产。总产量接近13,000辆。
