В уникальном походе участвовали серийные атомные подводные лодки без каких-либо доработок.
Ракетная лодка К-116 (проект 675) под командованием капитана II ранга Вячеслава Виноградова вошла в состав ВМФ в конце 1965 года. Она предназначалась для уничтожения кораблей и судов противника ракетами П-6, а также для ударов по крупным береговым объектам стратегическими крылатыми ракетами П-5М. Вторая атомная лодка К-133 (проект 627А) капитана II ранга Льва Столярова имела торпедное вооружение. Она была на три года старше подводного ракетоносца.
Перед советскими подводниками стояла амбициозная задача скрытно преодолеть противолодочные рубежи НАТО и США в Атлантике и Тихом океане, а также усилить Тихоокеанский флот двумя атомными подлодками. Поэтому непосредственно руководил операцией командующий 1-й подводной флотилией Северного флота, контр-адмирал Анатолий Сорокин. Его штаб разместился на К-116.
Для успеха командование ВМФ проложило маршрут через малоизученные районы Мирового океана. Хотя рассматривалось три возможных маршрута перехода. Первый подразумевал переход вокруг Южной Америки через пролив Дрейка, второй - вокруг Африки через Малакку и Сингапур, третий - вокруг Африки и Австралии мимо Сингапурского пролива. Адмирал флота Сергей Горшков остановил свой выбор на первом варианте - через пролив Дрейка.
Подлодки двигались под водой и только иногда поднимались на перископную глубину для определения местоположения.
Как вспоминал находившийся на К-116 ученый-ядерщик и доктор технический наук Анатолий Чечуров, субмарины только один раз всплыли на поверхность - у входа в пролив Дрейка. Это был самый трудный участок пути в 1 300 миль. У оконечности Южной Америки наблюдаются коварные течения и встречаются многочисленные айсберги, поэтому подводникам потребовалось обменяться навигационными материалами.
Через "кладбище кораблей" - пролив Дрейка - подлодки "провели" танкер "Дунай" и экспедиционное судно "Гавриил Сарычев". Семь дней потребовалось советским субмаринам, чтобы выйти за границу айсбергов.
Связь между подлодками под водой поддерживалась с помощью гидроакустической аппаратуры. Иногда К-116 и К-133 на определенное время расходились, чтобы обмануть противолодочные корабли США, а затем встречались в точке рандеву.
Успешно преодолели советские подводники и психологическое испытание. Как пишет член РВИО, историк Александр Коновалов, для снятия раздражительности, усталости и апатии проводились корабельные праздники, отмечались дни рождения членов экипажа. Кстати, под водой 24 марта 1966 года отпраздновали 45-летие командующего отрядом - контр-адмирала Анатолия Сорокина.
Моряки К-133 в течение всей экспедиции вели рукописный журнал "Летопись похода, или 25 000 миль под водой", где собраны стихи, очерки и рисунки подводников. Сейчас журнал хранится в Центральном военно-морском музее Санкт-Петербурга.
26 марта 1966 года, в 4 часа 26 минут, у берегов Камчатки подлодки были встречены советскими эсминцами. Переход занял 52 дня. После перехода К-116 и К-133 были зачислены в дивизию подлодок Камчатской военной флотилии. Появление двух новейших субмарин в бухте Крашенинникова стало неприятных сюрпризом для разведки США и стран НАТО.
По итогам беспримерного похода шестерым офицерам-подводникам, в том числе адмиралу Сорокину и командирам субмарин, было присвоено звание Героя Советского Союза. Других членов экипажей представили к орденам и медалям.