Топливные баки были выполнены из алюминиево-магниевых сплавов по обычной для ракетостроения тех лет схеме: с цилиндрической обечайкой, с шпангоутно-стрингерным подкреплением и двумя выпуклыми сферическими днищами. Впереди бака окислителя располагался конический переходный отсек.
Двигатели второй ступени — маршевый двухкамерный 8Д713 (РД-219) тягой 90 т при удельном импульсе 293 с и рулевой двигатель 8Д64 с четырьмя поворотными камерами (суммарная тяга 4,92 т, удельный импульс 250 с) располагались в цилиндрическом хвостовом отсеке второй ступени. Для сокращения длины при увеличенном, по сравнению с первой ступенью, расширении, в маршевых двигателях впервые реализовали угловой вход в сверхзвуковую часть сопла.
На второй, как и на первой ступени, камеры рулевого двигателя располагались совместно с твердотопливными тормозными двигателями под обтекателями, установленными снаружи хвостового отсека. Основная аппаратура системы управления, включая гиростабилизированную платформу, размещалась в межбаковом приборном отсеке. Бак горючего при меньших размерах был конструктивно подобен соответствующему элементу первой ступени, но вынесенный вперед бак окислителя выполнили по более прогрессивной схеме — с «вафельной» цилиндрической обечайкой, изготавливаемой с применением химического фрезерования. Наддув обоих баков производился сжатым азотом. Головная часть крепилась к установленному впереди бака окислителя коническому переходнику.
На ракете имелась автономная система управления, принципиально не подверженная возможным помехам противника. Для достижения приемлемой точности, сравнимой с показателями систем с радиокоррекцией, впервые на отечественной МБР была применена трехосная гиростабилизированная платформа. В качестве информационного носителя системы программированных импульсов полетного задания использовался магнитный накопитель, своего рода предшественник дискет эпохи персональных ЭВМ. Вес бортовой аппаратуры составил 440 кг, из них 288 кг относились ко второй ступени.
При полете ракеты первая ступень работала около полутора минут почти до полного выгорания ее топлива. На заключительном этапе ее функционирования основной двигатель отключался, а тяга рулевого дросселировалась.
В результате за счет более длительного полета первой ступени на минимальной тяге увеличивалась высота разделения ступеней и снижался скоростной напор, определяющий уровень возмущающих воздействий.
Далее включался рулевой двигатель второй ступени, который за счет вынесения камер наружу корпуса отсека мог беспрепятственно работать и до механического разделения ступеней. После выхода этого двигателя на режим выдавалась команда на подрыв связывающих ступени пироболтов и на включение установленных на первой ступени тормозных двигателей. Они притормаживали отработавшую ступень, в то время как вторая ступень уходила вперед под тягой своего рулевого двигателя. Только в момент, соответствующий достижению взаимного удаления между ступенями 10–16 м включался основной двигатель второй ступени. Схема разделения ступеней Р-16 была выбрана исходя из стремления исключить наиболее рискованные моменты — неуправляемый полет на временном интервале между участками работы двигателей первой и второй ступени, а также воздействие на вторую ступень отраженной струи запускаемого собственного двигателя.
