Появление новой 125мм пушки стало следствием введения в Великобритании разработки основного боевого танка "Чифтон", верхняя лобовая броня которого из 115 мм пушек танков т-62 и т-64 с 2 км дистанции уже не пробивались.
Новое 125 мм орудие решили установить на всё ещё опытный на тот момент танк "объект 432", который как вы помните, впоследствии стал танком т-64. В результате опытный танк с этой пушкой получил индекс 434. Двадцатого же мая 1968 года вышло совместное постановление ЦК КПСС и советами министров о замене вооружения на танках т-64, в соответствии с этим постановлением прежнее 115 мм пушка д-68 уступала место новой 125 мм д-81, а спаренному до этого с основным орудием пулемёт СГМТ приходил на смену новый пулемёт ПКТ.
Этим же постановлением танку с новым вооружением был присвоен шифр "Т-64А", к моменту выхода этого постановления в дополнение к первоначальному бронебойному подкалиберному оперённому снаряду проиндексированному как "3БМ9" в номенклатуру боеприпасов вошёл снаряд "3БМ12". В отличии от первого изготовленного целиком из стали, более новый снаряд имел сердечник из карбида вольфрама, что повысило его бронебойность на 18%, и дало возможность пробивать броню "Чифтоновской" толщины не только на двухкилометровом расстоянии, а даже на дистанции 2430 метров.
Увеличение калибра повлекло за собой некоторые уменьшение боекомплекта - общее количество выстрелов снизилось с 40 до 37, а их количество механизме заряжания сократилось с 30 до 28. Производство т-64А началось с начала 1969 года, причём первые полгода это было даже не производство, а переделка ранее выпущенных т-64 под новый стандарт вооружения. Правда тогда в 69 году в т-64а переделали далеко не все т-64, и некоторая часть тиража прослужила до 1976 года, когда последние безбуквенные т-64 переделали в модификацию, получившую индекс Т-64Р. От обычных Т-64А представители этой модификации отличались тем, что функцию ведущей звёздочки здесь выполнял подвешенный на её место ещё один опорный каток. Коробки на башне танков стали вешать в 1971 году, а в 72 над командирской башенкой т-64а появилась дистанционно управляемая крупнокалиберная зенитная пулемётная установка. В последний раз до этого зенитные пулемётные установки применялись на танках т-54 ,но в 58, когда т-54 уступал место на конвейере танку т-55 решили, что зенитный пулемёт теперь бесполезен, в виду возросшей скорости находившихся тогда в разработке на западе реактивных штурмовиков, но теперь над полем боя появились боевые ударные вертолёты, и шедшая тогда Вьетнамская война показала эффективность вертолётов против танков и эффективность крупнокалиберных пулемётов против вертолётов. А по некоторым сведениям, несколько раньше крупнокалиберные зенитные пулемётные установки стали монтировать и на имеющиеся в войсках танки Т-62 и Т-55.
В 72 году в боекомплект пушки был введён удлинённый подкалиберный снаряд, длина которого вместо первоначальных 410 составила 435 мм. Масса снаряда увеличилась на 300 г - с 3.600 до 3.900г. Но дульная скорость упала незначительно - с 1.800 до 1785 м/с, а бронепробиваемость же на 2 километровой дистанции вместо прежних 280 мм составило 31см. 22 января 1973 года танк т-64А наконец официально принят на вооружение.