За период с 1944 по 1953 гг. коллективом предприятия спроектированы, изготовлены и прошли летные испытания беспилотные летательные аппараты с пульсирующим воздушно-реактивным двигателем (10Х, 14Х, 16Х) для уничтожения объектов и целей на значительном удалении от рубежа пуска с авиационных носителей. Этим новым видом оружия оснащались самолеты Ту-2, Ту-4 и Пе-8. Затем работы над самолетами-снарядами подобного класса были переданы в КБ А.И. Микояна, но не получили там дальнейшего развития.

Предполагалось, что космические аппараты системы морской разведки будут выводиться на орбиту ракетой-носителем среднего класса разработки предприятия. Эта же ракета должна была выводить в космос и первый в мире маневрирующий спутник, разработка и изготовление которого также шли на предприятии.

Ракета-носитель получила обозначение УР-200 и имела стартовую массу около 140 тонн. Четвертого ноября 1963 года был произведен первый запуск новой ракеты. Затем было осуществлено еще 8 успешных пусков, подтвердивших высокие летные качества ракеты и возможности коллектива. Однако открытый старт ракетного комплекса не отвечал требованиям времени, и его дальнейшая разработка была прекращена.

В связи с расширением тематики и объема выполняемых работ в 1958-1962 гг. в состав предприятия включаются в качестве филиалов: ГОС НИИ 642 (в дальнейшем ФГУП «ОКБ «Вымпел», а ныне филиал ФГУП «ЦЭНКИ» КБ «Мотор»), ОКБ-23 (ныне КБ «Салют» ГКНПЦ им. Хруничева), КБ завода № 301 (ныне НПО им. Лавочкина), специальные КБ на авиационных заводах в г. Дубне и г. Саратове. Все это способствовало развитию новейших проектов и программ предприятия и обеспечению их реализации на самом высоком уровне, т.к. коллективы этих предприятий вместе с сотрудниками ОКБ-52 внедряли «авиационный подход» к созданию образцов техники – высочайшую степень проверки изделий на земле до начала летных испытаний.

Для решения таких масштабных задач на территории предприятия в 1960 году началось строительство крупнейшего конструкторского, экспериментального и производственного центров, стендовой базы для наземной отработки изделий.

В 1963 году был произведен запуск первого в мире маневрирующего спутника «Полет-1». В это же время на предприятии шла разработка космической системы для противоспутниковой обороны.

Наряду с этим начинались работы по осуществлению космических программ с участием человека в интересах Министерства обороны страны. Первые проработки космических проектов пилотируемых аппаратов (космоплан, ракетоплан) показали, что для обеспечения полноценной, безопасной и эффективной пилотируемой программы необходима ракета-носитель стартовой массой около 500 тонн, способная выводить на опорную орбиту около 15 тонн полезной нагрузки. Этот носитель, получивший обозначение УР-500, был также разработан в 60-е годы. В период 1965-1968 гг., на этапе отработки ракеты в двух и трехступенчатом вариантах, были созданы и запущены в космос четыре научные станции серии «Протон» массой от 12 до 17 тонн для исследования частиц высоких и сверхвысоких энергий.

Прогрессивные технические решения ракеты УР-500 позволили в рамках разработанного в ОКБ-52 в 1964–1965 гг. проекта по облету Луны человеком (проект ЛК-1) поставить вопрос разработки трехступенчатой ракеты-носителя и создать в короткое время тяжелую ракету-носитель УР-500К, позже названную «Протон».        В дальнейшем именно РН «Протон» обеспечила запуски в космос пилотируемых станций семейства «Салют», автоматических станций «Алмаз», космических аппаратов «Венера», «Зонд», «Луна», «Марс», базового блока и модулей комплекса «Мир», множества телекоммуникационных и военных космических аппаратов, а также двух базовых блоков – первых элементов международной космической станции.

Универсальность ракет УР-200 и УР-500 заключалась в возможности использования их не только в качестве ракет-носителей, но и в качестве боевых ракет с баллистическими и так называемыми «глобальными» головными частями, оснащенными боевыми блоками, стартующими с орбиты и способными совершать маневры в атмосфере.

Для отработки технических решений, примененных при создании орбитального маневрирующего боевого блока (проекты АБ-200 для МБР УР-200 и АБ-500 для УР-500) на предприятии был создан летательный аппарат МП-1, маневрирующий в атмосфере с высокими гиперзвуковыми скоростями при помощи аэродинамических органов управления, пуск которого был успешно осуществлен в 1961 году. Уже работа над УР-200 позволила создать на предприятии коллектив специалистов в области ракетостроения, сформировать новую кооперацию смежников и открыла путь к уверенному освоению нового направления работ по МБР легкого класса, но, в отличие от УР-200, шахтного базирования.

На базе приобретенного опыта с 1963 по 1967 гг. на предприятии был разработан и сдан на вооружение ракетный комплекс с ампулизированной МБР легкого класса УР-100. К 1970 г. на боевое дежурство было поставлено около 1000 ракет УР-100, чем был достигнут паритет стратегических сил нашей страны и США. До середины 80-х годов предприятие создало и сдало на вооружение несколько модификаций ракетных комплексов с МБР этого класса (УР-100К, УР-100У, УР-100Н, УР-100Н УТТХ). Ракетный комплекс с МБР УР-100Н УТТХ (РС-18Б) находится до настоящего времени на боевом дежурстве. Срок его эксплуатации продлен свыше тридцати лет.

В настоящее время НПО машиностроения совместно с кооперацией предприятий проводит ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию новых ракетных комплексов стратегического назначения, а также перспективных видов их боевого оснащения.

Для отработки системы «Алмаз» и других образцов ракетно-космической техники на предприятии была значительно расширена стендовая база. Были введены в эксплуатацию уникальная вакуумная камера объемом 600 куб.м  (ВК-600) и установка теплопрочностных испытаний (УТПИ).

На первом этапе создания РКК «Алмаз» доставка экипажа осуществлялась кораблем «Союз». С 1974 по 1977 г.  было осуществлено 5 полетов (2 – на станцию «Салют-3» и 3 – на «Салют-5»).

На борту станций работали космонавты: Артюхин Ю.П., Попович П.Р., Волынов Б.В., Жолобов В.М., Горбатко В.В., Глазков Ю.Н.

Экипажам в составе Демина Л.В., Сарафанова Г.В. и Зудова В.Д., Рождественского В.И. не удалось состыковать корабли «Союз» со станцией из-за отказа бортовой системы стыковки «Союза».

По этой программе с 1976 г. началась разработка ракетно-космической системы с автоматической орбитальной станцией «Алмаз-Т», оснащенной уникальным бортовым радиолокатором высокого разрешения, передающим полученные изображения по радиоканалу на наземный пункт приема информации. Система «Алмаз-Т» была предназначена для проведения комплексного всепогодного круглосуточного наблюдения за поверхностью Земли и мирового океана в целях выполнения программ Министерства обороны страны, народного хозяйства и международного сотрудничества.

Две автоматические станции этой серии – ИСЗ «Космос 1870» (1987-1989 гг.) и КА «Алмаз-1» (1991-1992 гг.) – успешно функционировали на орбите. Со станции «Алмаз-1» была успешно произведена разведка ледовой обстановки вокруг теплохода «Сомов», зажатого льдами в Антарктиде в период полярной ночи, и выданы рекомендации по выводу его из ледового плена. По результатам полетов станций на предприятии создан центр обработки данных ДЗЗ, а также  обширный, интенсивно используемый фонд радиолокационных снимков поверхности Земли.

В настоящее время структура предприятия включает Центральное конструкторское бюро машиностроения (ЦКБМ), Опытный завод машиностроения (ОЗМ), дочерние предприятия, филиалы и вспомогательные службы.

В состав ЦКБМ входят научно-исследовательские и проектно-конструкторские отделения, научно-исследовательские центры, приборостроительное и испытательное отделения, комплексная база лабораторно-стендовых испытаний.