Na początku lat 60. XX wieku biuro rozpoczęło rozwój systemów strategicznych z międzykontynentalnymi pociskami balistycznymi. Pod kierownictwem Czełomieja opracowano pocisk , a następnie jego rozwinięcia UR-100K i UR-100U oraz UR-100N. Ostatnim rozwinięciem tej rodziny był UR-100NUTTH, przyjęty na uzbrojenie radzieckich Wojsk Rakietowych Strategicznego Przeznaczenia.

OKB-52 prowadziło również prace w dziedzinie techniki kosmicznej. Zespoły kierowane przez Czełomieja uczestniczyły w opracowaniu ciężkiej rakiety nośnej rodziny Proton oraz załogowych stacji orbitalnych. W kolejnych latach przedsiębiorstwo zajmowało się projektowaniem systemów i aparatów kosmicznych, zarówno automatycznych, jak i załogowych.

W ramach współpracy rosyjsko-indyjskiej, prowadzonej na podstawie porozumienia międzyrządowego, utworzono wspólne przedsiębiorstwo , którego zadaniem stało się opracowanie systemu rakietowego z naddźwiękowym pociskiem manewrującym PJ-10 BrahMos.