Р-12 была выполнена одноступенчатой, с топливными баками несущей конструкции. Они изготавливались из алюминиево-магневых сплавов. Верхний бак (окислителя) разделялся промежуточным днищем. Окислитель расходовался сначала из нижней части бака, что создавало более благоприятные условия для стабилизации полета. В полете баки горючего и окислителя надувались.

Основные компоненты топлива (азотная кислота и керосин) воспламенялись при помощи специального пускового горючего, что было характерно и для американских ракет того времени. Двигательная установка ракеты состояла из четырехкамерного маршевого ЖРД РД-214, разработанного в ОКБ академика В. Глушко, с тягой на земле 60 т. Выход двигателя на режим осуществлялся без предварительной ступени по принципу так называемого пушечного пуска. На ракете применялась система регулирования кажущейся скорости, позволявшая в определенных пределах изменять тягу двигателя в целях обеспечения более точного движения ракеты на активном участке траектории заданному.

Автономная инерциальная система управления обеспечивала управление полетом ракеты и выведение головной части в район цели. При проведении испытаний были получены предельные отклонения точки падения ГЧ от расчетной по дальности в пределах 1100 м, по направлению - около 600 м при стрельбе на максимальную дальность в 2000 км. В ее состав впервые были включены устройства нормальной и боковой стабилизации центра масс. Приборы системы управления размещались в межбаковом отсеке. В качестве органов управления использовались четыре графитовых газоструйных руля. На корпусе хвостового отсека устанавливалось четыре небольших стабилизатора.

Р-12 несла моноблочную головную часть с термоядерным зарядом мощностью 1 Мт. Отделение ГЧ в полете осуществлялось с помощью пневматического толкателя. Ракета предназначалась для поражения площадных целей (площадью около 100 км).

Р-12 запускалась с наземного пускового устройства (стола), куда она устанавливалась перед стартом. После проведения заправочных операций и прицеливания ракета была готова к пуску. Общее время предстартовой подготовки достигало 3 часа и в значительной степени зависело от уровня обученности боевых расчетов. Обычно ракеты хранились без головных частей в специальных сооружениях и вывозились к месту старта только перед непосредственным применением.

С середины 1959 года в приграничных районах европейской части СССР началось развертывание частей и соединений, оснащенных ракетными комплексами с БРСД Р-12. В течение этого года было сформировано более десяти инженерных бригад РВГК. 15 мая 1960 года на боевое дежурство заступили ракетные дивизионы с комплексом Р-12 сразу четырех полков, дислоцированных в Белоруссии и Латвии. Но уже к концу 50-х годов защищенность БРК с открытыми стартами считалась недостаточной. Требовалось кардинально повысить стойкость ракетной техники к поражающим факторам ядерного взрыва. Специалистам выход виделся в укрытии ракет под землей в специальных шахтах.

КБ Янгеля было поручено разработать модификацию своей ракеты для шахтной пусковой установки. Разработку ШПУ поручили конструкторскому коллективу под руководством В.П. Бармина. В июне 1959 года на полигоне Капустин Яр развернулись строительные работы. Несмотря на сложные гидрогеологические условия в этом районе, работы первой очереди удалось закончить в сжатые сроки.

В начале сентября этого же года состоялся первый пуск из шахты. Ракета свободно вышла из сооружения и легла на расчетную траекторию. До 57-й секунды полет проходил нормально, а на 58-й - ракета потеряла устойчивость и устремилась к земле. Как потом выяснилось, падение произошло из-за того, что при старте был срезан один из стабилизаторов.

В ходе дальнейшей доводки все проблемы удалось решить. 5 января 1964 года БРК с ракетой Р-12У был принят на вооружение РВСН. Конструкция самой ракеты каких-либо значительных изменений не претерпела. А вот стартовый комплекс представлял собой ряд сложных инженерных сооружений. На одной стартовой позиции по углам прямоугольника с размерами 80 на 70 м сооружались четыре ШПУ, подземные хранилища компонентов топлива, защищенный командный пункт, а также вспомогательные сооружения.

Ракеты загружались в шахты при помощи установщика специальной конструкции. К ним пристыковывались заправочные магистрали и кабели управления и внешнего энергоснабжения. В таком состоянии ракеты находились до начала предстартовой подготовки, в ходе которой осуществлялась заправка баков компонентами топлива и проводились другие необходимые предпусковые операции.

Защищенность отдельной ракеты такого комплекса была значительно увеличена, но боеготовность оставалась низкой, что не позволяло в сжатые сроки провести пуск ракет. Кроме того, живучесть всей группировки ракет уменьшилась, так как один ядерный блок противника мог уничтожить сразу четыре ракеты. Тем не менее БРСД Р-12У стали развертывать не только взамен Р-12, но и в новых районах: на Северном Кавказе, Кольском полуострове, в Средней Азии и в Западной Сибири. Расширение географии дислокации РК было вызвано изменением геополитической обстановки в мире и, прежде всего, из-за обострения отношений с Китаем. Ракетный полк в г. Плунге стал первым, где 1 января 1963 года закончилась постановка на боевое дежурство ракетного комплекса с Р-12У. Всего к середине 60-х годов было развернуто около 500 ракет. Но уже к концу 1970 года 36 ракет в восточных районах Советского Союза было снято с боевого дежурства.

В июне 1961 года советское Правительство приняло решение впервые провести пуски ракет Р-12 со штатными ядерными головными частями с целью определения их фактической мощности и эффективности. Для проведения пусков были выделены техническая и стартовая батареи ракетного полка, который в последствии был направлен на Кубу. Стартовая позиция была выбрана в районе восточнее г. Воркуты. На полигоне острова Новая Земля была установлена необходимая контрольная аппаратура. По плану испытаний были запущены две ракеты, оснащенные боевыми зарядами разной мощности.

Во время Карибского кризиса по решению советского правительства на Кубу было переброшено несколько ракетных полков с БРСД Р-12. Там началась подготовка к развертыванию комплексов и строительство стартовых позиций. К концу октября примерно половина из 36 доставленных боевых ракет Р-12 была готова к заправке компонентами и стыковке с ядерными головными частями. Обстановка продолжала обостряться. Однако, несмотря на давление сторонников силового решения конфликта, руководители СССР и США нашли способ разрешить его мирным путем. В ходе состоявшихся переговоров Соединенные Штаты отказались от вторжения на Кубу, Советский Союз обязался убрать свои БРСД с кубинской территории при условии, что американцы уберут свои ракеты из Турции и Европы. И все же одна Р-12 осталась в Гаване, но только в качестве памятника, где ее установили во второй половине 80-х годов по просьбе кубинского правительства.

Во второй половине 70-х годов начался массовый процесс снятия с вооружения ракет Р-12 и Р-12У в связи с развертыванием ракетных комплексов РСД-10. Первыми снимались ракетные комплексы с шахтными пусковыми установками. На момент подписания советско-американского Договора о ликвидации ракет средней и меньшей дальности в 1987 году на боевом дежурстве находилось 65 ракет Р-12. Все они были ликвидированы.