Проектные разработки осуществлялись специалистами конструкторского бюро Ж. Я. Котина. Работы над тяжелыми танками КВ-5 и КВ-220 велись на Ленинградском Кировском заводе. Танк имел максимальную для того времени толщину брони. Для танка КВ-5 был изготовлен технический проект, и началось изготовление ряда узлов и агрегатов. С началом войны в проект пришлось внести целый ряд изменений. Так, пришлось отказаться от идеи изготовления штампованной башни — она была заменена на сварную, а ввиду отсутствия подходящего дизеля мощностью 1200 лошадиных сил (он находился в стадии разработки) КВ-5 перепроектировали под установку двух обычных двигателей В-2, размещённых параллельно. Однако, в связи с приближением немцев к Ленинграду, работы над КВ-5 были прекращены в первой половине августа 1941 года. На основании постановления правительства в апреле 1941 года был издан приказ Народного комиссара танковой промышленности по вопросу усиления брони путем установки экранов на КВ-1 и КВ-2, о вооружении и усилении бронирования танка КВ-3 и проектировании танков КВ-4 и КВ-5. Проектирование и изготовление КВ-5 определялось к 1 сентября 1941 года. Лоб и башня планировались толщиной брони 170 миллиметров, борта — 150 миллиметров. Вооружение танка — 107-миллиметровое орудие. Двигатель — 1200 лошадиных сил. Ширина машины не должна была превышать 4,2 метра. К 1 августа 1941 года заводу поручалось предъявить макет и технический проект КВ-5 на утверждение в Народный Комиссариат обороны. Ижорскому заводу вменялось в обязанность к 10 октября 1941 года изготовить его корпус и башню. Главному конструктору Ленинградского Кировского Завода по моторостроению ставилась задача спроектировать дизель 1200 лошадиных сил на базе моторов М-40 и М-50. Аналогичное задание получил и Харьковский завод. Тем же постановлением главному конструктору Горьковского артиллерийского завода предписывалось спроектировать и изготовить пушку ЗИС-6 калибра 107 миллиметров, с начальной скоростью снаряда 800 метров в секунду и унитарным патроном массой 18,8 килограмма. Ворошиловградскому тепловозостроительному заводу предписывалось выдать техническое задание, согласованное с Народным комиссариатом обороны, на проектирование пародизельной установки для КВ-4 и КВ-5. По предварительным расчётам масса танка равнялась 100 тоннам, по сведениям Виктора Суворова — 150 тонн. Для проектирования КВ-5 была образована бригада конструкторов в составе: К. И. Кузьмин (корпус), Л. Е. Сычев (башня и установка вооружения), Н. Т. Федорчук (ходовая часть). Старшим инженером КВ-5 был назначен Н. В. Цейц, один из старейших работников СКБ-2, на основе эскизного проекта которого и разрабатывался танк. При разработке КВ-5 были учтены все замечания, которые поднимались при обсуждении проекта КВ-4. Сохранив общую компоновку КВ-4, проект переделали так, чтобы использовать максимум элементов от КВ-1. В ходе проектирования получился мощный танк весьма необычной внешности. Для экономии массы корпус КВ-5 попытались сделать максимально низким — высотой 920 мм. Это привело к тому, что стрелок-радист и механик-водитель получили выступающие вверх башенки. В ромбовидной башне на погоне 1840 мм и под ней находилось довольно просторное боевое отделение танка, в котором находились командир, наводчик и двое заряжающих. Механизм досылания выстрела на тот момент разработан не был. Башню сделали высокой, для размещения экипажа и 107-мм пушки с бронебойными и осколочно-фугасными выстрелами, а также для того чтобы по ширине танк умещался на железнодорожной платформе, так как это было одним из обязательных условий технического задания. Поскольку дизель М-40 для КВ-5 сделан не был, в июле 1941 года танк был перепроектирован под параллельную установку двух дизелей В-2СН. Из-за невозможности изготовления штампованной башни с толстыми стенками в разработку была принята сварная. К августу проект КВ-5 был завершён, но из-за тяжёлой обстановки под Ленинградом изготовление опытного образца было отменено, а все силы конструкторов брошены на совершенствование конструкции танка КВ-1. Согласно американскому исследователю советского танкостроения Стивену Дж. Залоге, КВ-5 проектировался с лобовой бронёй 170—180 миллиметров и боковой бронёй 150 миллиметров, а также восемью катками с каждой стороны. Ряд конструкторов ленинградского СКБ-2 предложили свои чертежи, включая традиционную башенную компоновку (Н. Ф. Шашмурина), компоновку силовой установки в центре, за спиной механика-водителя (М. И. Креславского). Главной конструктивной особенностью КВ-5, отличавшей его от остальных КВ, и, при этом, роднившей с КВ-2, была большая и высокая башня ромбовидной формы. Такая башня позволяла решить сразу несколько компоновочных проблем. Во-первых, казённик пушки при любых углах возвышения оставался в башне, во-вторых, командир танка и наводчик также умещались в башне и не были зажаты между казёнником и погоном. Всё это давало возможность обойтись сравнительно небольшим башенным погоном (у КВ-5 — 1840 миллиметров), который принимал на себя лишь нагрузку от выстрела. Кроме того, решение позволило разместить в большой башне КВ-2 152-мм гаубицу, при этом диаметр погона оставался как у КВ-1. Высота танка при этом возрастала, но её можно было уменьшить за счёт высоты корпуса в районе боевого отделения, до размера, обеспечивающего только крепление элементов подвески. Поэтому корпус КВ-5 в районе боевого отделения и отделения управления имел высоту всего 920 миллиметров и повышался до 1300 миллиметров в районе моторно-трансмиссионного отделения. Высоты 920 миллиметров не хватало для размещения механика-водителя и стрелка-радиста. Данная проблема решалась установленным над головой механика-водителя бронированным откидным колпаком со смотровыми щелями, обеспечивавшими обзор лучший, чем на обычном КВ. Толщина брони колпака была как у лобового листа башни — 180 миллиметров. На марше колпак приподнимался — так же, как на прототипах Т-35. Стрелок-радист имел в своем распоряжении башенку с пулемётом Дегтярёва, установленную на постаменте так, что огонь можно было вести поверх колпака механика-водителя. Конструкция обеспечивала возможность стрельбы по воздушным целям. Вторая подобная башенка находилась на крыше основной башни. Установленный в ней пулемёт обслуживался заряжающим. В боевом отделении корпуса размещалась укладка с частью боекомплекта 107-миллиметровой пушки. Основной боекомплект укладывался в нишу башни. Командир танка располагался справа от пушки. В его распоряжении находилась полноценная командирская башенка с пятью смотровыми приборами и небольшим перископом, который позволял вести наблюдение поверх пулемётной башенки. Слева от пушки находился наводчик, а в кормовой части башни — двое заряжающих, наличие которых в составе экипажа, учитывая массу 107-мм унитарных выстрелов, было отнюдь не лишним, тем более, что в перспективе часть танков могла вооружаться 152-мм гаубицей-пушкой. В моторно-трансмиссионном отделении параллельно устанавливались два дизеля В-2К мощностью по 600 лошадиных сил каждый. Переход на двухдвигательную схему был вынужденной мерой, так как с началом войны довести более мощные варианты В-2 с турбонаддувом не представлялось возможным. Не было и возможности получить в приемлемых количествах авиадизели М-30 или М-40. Двигатели соединялись с коробкой передач и бортовыми фрикционами с помощью промежуточного редуктора. Корпус КВ-5, в отличие от других КВ, не имел гнутых деталей (за исключением кормового нижнего листа). Бронелисты соединялись друг с другом гужонами и электросваркой. Толщина бортов и кормы корпуса достигала 150 миллиметров, крыши и днища — 40 миллиметров. При изготовлении штампованной башни КВ-3 возникло множество проблем, и для КВ-5 башню решили изготовить из катаной брони. Лобовой 180-миллиметровый лист крепился к башне гужонами, а все остальные листы соединялись между собой шпоночным соединением «двойной ласточкин хвост». Такое соединение не применялось в отечественном танкостроении ни до, ни после. Зато так собирался главный броневой пояс линкоров типа «Советский Союз», было трудоёмким, заставило установить бортовые листы башни вертикально, но обеспечило почти монолитную её прочность. В статье вышедшей в журнале «Молодая гвардия» в издательстве ЦК ВЛКСМ к 50-летию начала Великой Отечественной войны общим тиражом 425 тыс. экземпляров, специалистом отечественного танкостроения Сергеем Птичкиным (ранее — специальный корреспондент журнала Советский воин, ныне — обозреватель «Российской газеты»), критикуется вся серия танков КВ. В частности, Птичкин критикует КВ-4 и КВ-5 из-за сложившейся, по его мнению, абсурдной, не поддающейся логике ситуации: Журнал «Молодая гвардия», 1991, №6