T-64 được chấp nhận đưa vào biên chế tháng 12 năm 1966. Nó đã trở thành chiếc tăng đầu tiên của thế hệ tăng thứ hai. T-64 được giới thiệu vào cuối những năm 60, là thành viên đầu tiên của họ tăng mới tinh vi hơn so với tế hệ của những chiếc T-54/55/62. Giu74 lại kết cấu khung thấp như họ T-54/55/62, T-64 đã trình diễn những thiết kế mới torng đó có việc kết hợp hệ thống nạp đạn tự động với những loại giáp hiện đại.
Vào đầu những năm 1950, các nhà thiết kế tăng đã tìm kiếm những ý tưởng mới, theo yêu cầu của quân đội Soviet phát triển một loại tăng hoàn toàn mới. Cũng như các lần trước, khi yêu cầu về một loại tăng hoàn toàn mới được đưa ra, Cục thiết kế tăng ở Kharkiv luôn dẫn đầu cuộc đua bằng việc giới thiệu một loại tăng trái với qui ước nếu không muốn nói là một cuộc cách mạng về thiết kế tăng. Concept thiết kế loại tăng mới này thể hiện ở chiếc T-64, nó được thiết vào đầu những năm 1960 ở Kharkiv dưới sự chủ trì của Aleksandr A. Morozov và trở thành chiếc tăng đầu tiên trong thế hệ tăng mới của Soviet. T-64 là chiếc tăng đầu tiên trên thế giới sử dụng hệ thống nạp đạn tự động, giúp cho số lượng tổ lái giảm đi một người còn lại 3 người – lái xe, pháo thủ, trưởng xe. Những thiết kế mới khác như hệ thống bảo vệ khá tinh vi gồm nhiều lớp, hệ thống bảo vệ NBC, thiết kế động cơ, v.v……
Chiếc T-64 có tính cơ động tốt hơn T-62. Động cơ diesel 5 xy-lanh với sức mạnh chừng 700-750hp. Mặc dù động cơ của T-64 nhỏ hơn so với động cơ của T-72, nhưng chiếc T-64 nhẹ hơn (36 tấn) được cho rằng có thể đạt được quãng đường hành trình và vận tốc tương đương với loại T-72. Hai thùng xăng phụ 200L có thể được gắn phía đuôi xe. Giáp của T-64 tốt hơn hẳn so với T-62, cả thân xe và tháp pháo đề được đúc, sau đó chúng được hàn lại, lớp giáp là sự kết hợp giữa giáp thép và các miếng gốm, gọi là “Hỗn hợp K”, giúp cho khả năng bảo vệ cao hơn trước những mối nguy hiểm từ đạn HEAT. Bên cạnh sở hữu lớp giáp trước vững chắc hơn rất nhiều nhờ sử dụng giáp cải tiến kết cấu nhiều lớp, T-64 còn có thể lắp them các tấm giáp bảo vệ xích hai bên hông xe hay các tấm chắn dài. Có một cái xẻng to lắp phía trước xe, giúp cho nó có thể tự đào công sự trong một vài phút đồng thời có thể tặng khả năng bảo vệ cho giáp trước xe bằng cách nâng nó lên.
Bên cạnh hệ thống dò tìm phóng xạ PAZ và lớp chống phóng xạ, T-64 còn có hệ thống lọc chung NBC và hệ thống điều áp. T-64 lúc đầu sử dụng chung hệ thống phun khói ngụy trang giống series T-54/55/62, sau đó một số phiên bản đã sử dụng các ống phóng đạn khói gắn trên tháp pháo giống như T-72 và T-80.
Pháo chính của chiếc T-64 là một khẩu pháo 125mm nòng trơn với góc nâng pháo từ -6 đến +14 với tháp pháo quay bằng máy 360độ. Khẩu pháo 125mm bắn loại đạn xuyên giáp sơ tốc cao HV-APFSDS được tin rằng có vận tốc đầu nòng lên tới 1,750m/s và tầm bắn ít nhất 2,000m. Tổng đạn 40 viên với cơ cấu phân bổ thông thường gồm 12 APFSDS - 6 HEAT - 22 HE. Cơ cấu nạp đạn tự động cho phép tổ lái giảm bớt xuống chỉ còn 3 người (lái xe, pháo thủ, trưởng xe), T-64 cũng sử dụng hệ thống vứt vỏ đạn tự động giống như trên T-62. Ngoài ra, pháo 125mm còn có thể bắn loại tên lửa có điều khiển AT-8 Songster ATGM, thông thường nó mang 6 quả AT-8. Hệ thống náp đạn giống với hệ thống nạp đạn tự động trên T-72, ngoài chức năng giảm bớt một pháo thủ nó còn giúp cho tốc độ bắn của chiếc tăng đạt được 8 viên/phút. Vị trí trưởng xe đã có sự cải tiến hơn so với T-62 khi anh ta có thể sử dụng mọi loại vũ khí trong chiếc tăng từ chỗ ngồi của anh ấy. Bên cạnh đó, T-64 cũng kết hợp hệ thống kiểm soát hỏa lực, nó có một cái máy vi tính gắn trong xe, một số phiên bản còn có cả máy đo xa laser.
Năm 1976, chiếc T-64B tích hợp hệ thống điều khiển “COBRA” giúp nâng tầm bắn lên 4000m, nó sử dụng hệ thống đo xa laser với kính nhìn đêm mới, tuy vậy thì khối lương chiếc tăng cũng tăng lên 39 tấn. Việc sản xuất T-64 đã được dừng lại năm 1987, nhưng việc nâng cấp T-64 thì đến nay vẫn được thực hiện. Chiếc tăng T-64, mặc dù đã có nhiều ưu điểm, nhưng nó vẫn có nhiều hạn chế, như hệ thống nạp đạn tự động tuy giúp giảm biên chế tổ lái đi 1 người, thì nó cũng chiếm dụng một khoảng không gian bên trong tháp pháo, khiến cho không gian làm việc của tổ lái cũng không được tăng lên là bao nhiêu, hoặc khả năng hạn chế của việc hạ thấp nòng pháo vẫn chưa được cải thiện nhiều. Hay như ở phiên bản xe chỉ huy T-64K, khi sử dụng cột an-ten thì nó buộc phải đứng im, bởi vì cột ăn-ten phải được gắn xuống đất.