Основное отличие танка КВ-2 состояло в установке новой башни больших размеров. Общая высота его достигла 3240 мм. В башне, в маске, закрытой снаружи броневым кожухом, располагались 152-мм танковая гаубица М-10 образца 1938/40 года и спаренный с ней пулемёт ДТ. В её задней части имелась дверца, рядом с которой в шаровой опоре размещался ещё один ДТ. На танке сохранился также и курсовой пулемёт в лобовом листе корпуса. Для стрельбы использовались телескопический прицел ТОД-9, перископический — ПТ-9 и командирская панорама ПТ-К. Боекомплект состоял из 36 выстрелов раздельного заряжания и 3087 патронов. Силовая установка, силовая передача, ходовая часть, электро- и радиооборудование — такие же, как и на КВ-1. Танк КВ-2 выпускался в ограниченном количестве и состоял в производстве в 1940–1941 годах. После начала Великой Отечественной войны его выпуск был прекращён.
В этот же период велись проектные разработки танков со 107-мм пушкой: КВ-4 (объект 224) и КВ-5 (объект 225), 152-мм самоходной установки (объект 212), ремонтно-эвакуационного тягача (объект 214 и танка-электротральщика (объект 218), в которых широко использовались узлы и агрегаты танков КВ-1 и КВ-2.
Во втором полугодии 1941 года выпуск танков на Кировском заводе существенно возрос. К производству многих узлов и агрегатов подключились такие крупные ленинградские предприятия, как Ижорский и Металлический заводы, завод «Русский дизель» и другие. Из-за отсутствия дизелей В-2 танки КВ-1, так же как и Т-34, некоторое время выпускались с бензиновыми двигателями.
Однако в условиях блокады продолжать выпуск танков было невозможно. Поэтому с июля по декабрь в несколько этапов проводилась эвакуация завода из Ленинграда в Челябинск. 6 октября Челябинский тракторный был переименован в Кировский завод Наркомтанкопрома — ЧКЗ, ставший единственным заводом-изготовителем тяжёлых танков вплоть до конца Великой Отечественной войны.
В 1942 году танк КВ-1 сменили в производстве на модернизированный вариант — КВ-1с («с» — скоростной). Масса танка была снижена до 42,5 т за счёт уменьшения толщины броневых листов корпуса, массы агрегатов силовой передачи и ходовой части (гусеница сужена до 608 мм), а также уменьшения габаритных размеров башни. Башня — литая, новой обтекаемой формы, с командирской башенкой. Вооружение осталось прежним. Боекомплект сначала состоял из 94 выстрелов, позднее его удалось довести до 114. На КВ-1 с была установлена и новая коробка передач с демультипликатором, обеспечивавшая восемь передач вперёд и две назад.
КВ-1с приняли на вооружение 20 августа 1942 года. С сентября 1943 года в войска начал поступать новый вариант КВ — «85».
Его появлению предшествовала неудачная попытка установить 85-мм пушку в штатную башню танка КВ-1с. Для установки пушки такого калибра потребовалось создание новой литой башни больших размеров и расширение подбашенной коробки. Боекомплект 85-мм пушки Д-5Т составлял 70 выстрелов. Экипаж сократился до 4 человек (за счёт стрелка-радиста). Курсовой пулемёт был жёстко закреплён в лобовом листе корпуса — огонь из него вёл механик-водитель. Силовая установка, трансмиссия и ходовая часть оставались полностью унифицированными с танком КВ-1с.
В 1942 году на базе КВ-1 построили опытные образцы самоходной артиллерийской установки КВ-7 с двумя пушками ЗИС-5 и тремя пушками — одной ЗИС-5 и двумя калибра 45 мм. По замыслу конструкторов, удвоение и утроение вооружения должно было компенсировать недостаток танков в войсках. В опытном порядке создали и танк КВ-9, вооружённый 122-мм гаубицей У-11.
В 1942–1944 годах в серийном производстве состояла самоходная артиллерийская установка СУ-152 (КВ-14), построенная на базе танка КВ-1с и вооружённая 152-мм гаубицей-пушкой МЛ-20.
На базе танков КВ-1, а затем и КВ-1с с апреля 1942 года выпускался огнемётный танк КВ-8. Корпус остался без изменений, в башне же вместо 76-мм пушки установили 45-мм образца 1934 года с маскировочным кожухом, воспроизводящим внешние очертания 76-мм пушки. Боекомплект пушки состоял из 88 выстрелов. Рядом с пулемётом, спаренным с пушкой, устанавливался огнемёт АТО-41. На танке КВ-8 на базе КВ-1с спаренный пулемёт был изъят.
За период с 1940 по 1943 год Ленинградский Кировский и Челябинский Кировский заводы выпустили 4775 танков КВ всех модификаций. Они состояли на вооружении танковых бригад смешанной организации, а затем были сведены в отдельные танковые полки прорыва. КВ принимали участие в боевых действиях Великой Отечественной войны вплоть до её завершающего этапа.
Первый вариант тяжёлого танка ИС («Иосиф Сталин») с 85-мм пушкой Д-5Т (объект 237) был разработан летом 1943 года на Челябинском Кировском заводе под руководством ведущего конструктора Н. Ф. Шашмурина. 7 августа постановлением ГКО танк приняли на вооружение. Серийное производство ИС-1 (или ИС-85) началось в конце октября.
При массе в 44 т, незначительно превосходившей массу танка КВ-1с, новая боевая машина имела более толстую броню. Башня, лобовая деталь и подбашенная часть корпуса выполнялись литыми. Установка малогабаритных планетарных механизмов поворота (ПМП) конструкции А. И. Благонравова позволила уменьшить ширину корпуса ИС-1 на 18 см по сравнению с КВ-1с.
Почти одновременно с ИС-1 началось производство более мощно вооружённой модели — ИС-2 (объект 240). Только что созданная 122-мм танковая пушка Д-25Т (первоначально имевшая поршневой затвор) с начальной скоростью снаряда 781 м/с позволяла поражать все основные типы немецких танков на всех дистанциях боя. В опытном порядке на танке ИС устанавливались 85-мм пушка большой мощности с начальной скоростью снаряда 1050 м/с и 100-мм пушка С-34.
В начале 1944 года производство танка ИС-1 прекратили (выпущено 107 машин). С этого момента в производстве состоял только ИС-2. Вскоре на нём изменили прицельные приспособления (в частности был изъят перископический прицел ПТК-5) и расширили броневую маску пушки. С середины 1944-го ИС-2 начали выпускаться с наклонной лобовой частью корпуса без смотрового люка механика-водителя (так называемой «пробки»), но со щелью, закрытой стеклоблоком. Кроме того, был введён крупнокалиберный зенитный пулемёт ДШК, который, впрочем, устанавливался не на всех танках. В таком виде ИС-2 принял участие в заключительных сражениях второй мировой войны. После выпуска 3483 танков в середине 1945 года производство его прекратили.
Танки ИС-2 поступали на вооружение отдельных тяжёлых танковых полков, которым уже при формировании присваивалось наименование «гвардейский». В начале 1945 года были сформированы несколько отдельных гвардейских тяжёлых танковых бригад, включавших по три тяжёлых танковых полка каждая.
На базе танков ИС серийно строились САУ ИСУ-152, ИСУ-122 и ИСУ-122С, а также создан ряд опытных образцов САУ с орудиями калибров 122, 130 и 152 мм (объекты 243, 247, 251 и др.).
Тяжёлый танк ИС-3 (объект 703) был разработан в 1944–1945 годах на Опытном заводе № 100 в Челябинске. Ведущий конструктор машины — М. Ф. Балжи. Серийное производство началось в мае 1945 года, в течение которого было выпущено 1170 боевых машин.
Корпус танка сваривался из катаных броневых листов. Лобовые листы корпуса устанавливались с двойным наклоном под большим углом к вертикали. Механик-водитель размещался впереди по оси машины. За его сиденьем, в днище, находился запасной люк. Башня — литая, приплюснутой сферической формы. В крыше башни имелся большой овальный люк, закрываемый двумя крышками. В правой крышке закреплялся смотровой прибор заряжающего — МК-4, в левой располагался командирский люк наблюдения, закрытый круглой вращающейся крышкой, в которой находился смотровой прибор командира ТПК-1.
Механизм поворота башни — планетарный, с ручным и электрическим бесступенчатым приводами. Электропривод был оборудован системой командирского управления; командир мог, удерживая цель в поле зрения своего смотрового прибора, нажать на кнопку, установленную на приборе, и повернуть башню в заданном направлении по кратчайшему пути. При совпадении линии визирования с осью канала ствола башня останавливалась.
При разработке проекта танка ИС-3 были учтены выводы комиссии, которая исследовала во фронтовых условиях боевые повреждения танков в ходе Курской битвы. Обращало на себя внимание массовое поражение лобовых элементов корпуса и башни. Поэтому решили проработать на базе танка ИС-2 новую конструкцию башни и корпуса для создания обтекаемой формы и резко дифференцировать броневую защиту. По башне эту работу осуществлял конструктор Кручёных, а по корпусу — конструктор Малинин. При этом следует отметить, что прототип танка ИС-3 имел прямой наклонный лобовой лист, как у Т-34.
Однако при проектировании ИС-3 был допущен целый ряд конструктивных просчётов и ошибок. Поэтому уже в 1946 году создали комиссию по анализу дефектов этого танка, к которым относились выход из строя двигателя, коробки передач, элементов бронекорпуса в районе моторно-трансмиссионного отделения и др. С учётом этих недостатков все танки ИС-3 были подвергнуты модернизации и переделкам по программе УКН (устранение конструктивных недостатков), однако так и не были доведены до необходимого уровня требований эксплуатации. В середине 1946 года танк сняли с производства.
