25 января 1936 года утвердили эскизный проект «крейсерской эскадренной подводной лодки» «КЭ-9» серии XIV (в дальнейшем подводная лодка получила обозначение «К» - крейсерская, и прозвище «Катюша»). Главным конструктором подводных лодок данного типа назначили Рудницкого М.А. Технический проект под его руководством был разработан в ЦКБС-2 (позднее ЦКБ-18). В разработке проекта принимали участие инженеры-конструкторы Быков Н.М., Горячев П.Г., Новожилов В.В., Сегаль В.Ф. и др. Чтобы выбрать наиболее рациональные форму и размеры корпуса, в опытном бассейне испытали более 20 моделей подводного крейсера.
Конструкция подводной лодки – двухкорпусная. Прочный корпус имел цилиндроконическую форму диаметром 5,7 м. Сборка осуществлялась при помощи клепки. Использовались стальные конструкции толщиной 18 – 22 мм. Прочная рубка подводной лодки размещалась над отсеком №3 и представляла собой горизонтальный цилиндр (диаметр 2,3 м) со сферическими концевыми переборками. В ней был размещен главный командный пункт. Также она могла использоваться в качестве шлюзовой камеры. Переборки между отсеками 1-2, 2-3, 5-6 сферические. Переборка между отсеками 3-4 плоская. Все эти переборки были рассчитаны на давление 10 кгс/см2. Переборки между отсеками 4-5, 6-7 плоские, но рассчитаны на давление 2 кгс/см2. Концевые переборки — литые, сферические. При изготовлении легкого корпуса лодки использовались 6-мм стальные листы соединенные сваркой.
Корпус подводных лодок типа «К» разделялся на семь отсеков в которых находились:
1. Носовой торпедный отсек, служащий для размещения 6 торпедных аппаратов, 10 запасных торпед на стеллажах, жилое помещение матросов;
2. Аккумуляторный, жилые помещения офицерского состава, кают-компания;
3. Центральный пост;
4. Аккумуляторный, кают-компания старшин, кубрик;
5. Главных дизельных моторов;
6. Вспомогательный дизель, главные электромоторы, жилое помещение матросов;
7. Кормовой торпедный отсек (2 торпедных аппарата размещенных горизонтально), жилое помещение матросов.
Отсеки №№ 1, 3, 6 и 7, представляли собой отсеки-убежища, которые были оборудованы постами аварийного продувания главного балласта.
Артиллерийское вооружение подводных лодок «Катюша»: два орудия Б-24ПЛ калибра 100 мм образца 1938 года и два полуавтоматических орудия 21-К калибра 45 мм образца 1933 года. Боезапас каждого 100-мм орудия составлял 200 патронов (по некоторым данным данные орудия являлись модернизированными и их боезапас составлял по 400 выстрелов). Боезапас 45-мм орудий — по 600 выстрелов, углом возвышения до 85 градусов. Часть патронов хранилась в ограждении рубки в специальных герметичных кранцах. 100-мм орудия устанавливались на поворотных площадках, имевших фальшборт с трех сторон. Чтобы увеличить углы обстрела кормовой 21-К в бортах выполнили откидные панели, которые в ходе войны заменили постоянными вырезами с фальшбортами. Зенитное вооружение усиливалось двумя выносными пулеметами «Максим» калибра 7,62 мм.