Под напором высоких партийных чиновников производство танка в Харькове началось практически сразу после словесного одобрения Хрущёва, даже не стали дожидаться результатов испытаний и соответствующего постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР. Официально танк приняли на вооружение только в декабре 1966 года и присвоили ему индекс Т-64.
По своим характеристикам Т-64 действительно стал эпохальным проектом отечественного танкостроения. Он стал первым в мире танком с комбинированной (многослойной) броней с рациональным наклоном 68° в лобовой части, что делало его непробиваемым для орудий всех танков, стоявших на вооружении потенциальных противников СССР. Новый тип трансмиссии и чрезвычайно плотная (в ущерб комфорту экипажа) компоновка позволили по сравнению с Т-62 увеличить бронирование в два раза. При весе в 36 тонн и максимальной скорости 65 км/ч Т-64 обладал уровнем бронирования сверхтяжёлых танков.
Т-64 первым в мире получил автомат заряжания третьего поколения (с выбором типа боеприпаса и без жёсткой связи конвейера с орудием), который позволил сократить экипаж до трёх человек. Ни на американском «Абрамсе», ни на немецком «Леопарде» такого устройства до сих пор нет. Именно наличие автомата заряжания на советских танках стало первым шагом к созданию необитаемой башни Т-14 на платформе «Армата».
В 1970—80-х годах Т-64 обеспечивал сохранение мира наряду с ядерным щитом СССР. Его часто можно было видеть на советских календарях и плакатах, военных журналах. Однако из-за режима секретности танк только один раз участвовал в военном параде в Москве — 9 мая 1985 года. Т-64 шли в основном в западные военные округа: считалось, что обладающие более совершенной СУО Т-64 первыми вступят в бой с армиями НАТО. Т- 72 рассматривался как мобилизационный танк второго эшелона. Кроме того он активно поставлялся на экспорт. Т-80 со своими прожорливыми газотурбинами рассчитывался на особые климатические зоны.
Однако уже при испытаниях Т-64 специалисты отмечали, что в «революционной» конструкции танка далеко не все так гладко. Научно-танковый комитет Управления начальника Танковых войск, являвшийся непосредственным заказчиком бронетанковой техники, отнёсся к новой машине резко отрицательно.
Много хлопот в эксплуатации доставляли сложный двухтактный двигатель необычной конструкции с двумя коленчатыми валами. Он разрабатывался 15 лет в харьковском КБ под руководством главного конструктора Чаромского и полностью заменил устанавливавшиеся до того времени силовые установки, которые являлись модификациями легендарного танкового дизеля В-2, созданного в том же Харькове ещё в конце 30-х годов. Но в итоге новинка получила только два плюса — быструю замену в полевых условиях и хорошую габаритную мощность, немного превосходя в этом отношении другие советские танки. Но эти плюсы нивелировались большим количеством минусов — неудачная система охлаждения, низкая надёжность старта зимой, большой расход масла.
Неудачное размещение боекомплекта Т-64 (в стремлении предельно уменьшить габариты танка), дополнялось полной изоляцией механика-водителя от командира и наводчика. В случае необходимости, ему оказалось практически невозможно выбраться в боевое отделение, что во многих случаях стоило механику-водителю жизни.
Широко известен пример такой гибели: на учениях Т-64 увяз носовой частью в ручье, механик-водитель находился в положении «по-боевому» с закрытым люком. Благодаря этому вода в машину поступала не быстро. Но танкист так и не смог покинуть отделение управления и погиб. Та же картина наблюдается с гибелью Т-64 под Луганском 13 июля 2014 года. Механик-водитель вновь не смог покинуть машину через боевое отделение и сгорел вместе с танком.
Но больше всего копий на страницах печатных изданий и интернета ломается вокруг ходовой части Т-64.
В период 1976–1984 гг. проводились сравнительные войсковые испытания основных советских танков Т-64, Т-72 и Т-80 во всех военных округах СССР на которых присутствовали главные конструкторы и специалисты КБ, директора заводов. Пристальное внимание испытаниям оказывалось Министерством Обороны и ЦК КПСС. Всё было на виду у конкурентов, и сгладить или скрыть проблемы, неизбежно возникающие при подобной жёсткой эксплуатации на маршах и боевых стрельбах, было невозможно. По результатам испытаний составлялись соответствующие акты, которые служили материалом для конструкторов при дальнейших разработках и для устранения возникавших неполадок в будущем.
По утверждению украинских источников ходовая Т-64 якобы показала тогда лучшие результаты, чем у Т-72 и Т-80 благодаря высокой надёжности необрезиненных опорных катков и гусеничных лент. При этом катки Т-72 и Т-80 намного чаще выходили из строя из-за разрушений наружного резинового бандажа. Однако это утверждение не подтверждается советскими и российскими танкистами, имеющих многолетний опыт эксплуатации данных машин. Подавляющее большинство танков Т-72 и Т-80, отправляемых в капитальный ремонт после положенного пробега, уходила на катках с теми же бандажами, с которыми они прибыли с завода. Срыв и разрушение бандажей происходил только в результате сильного внешнего воздействия (например, подрыва). А после внедрения на Т-72 гусеницы от Т-80, когда бандажи катков катятся по резиновой беговой дорожке внутри гусеницы, ходовая Т-72 стала практически «вечной».
Зато небольшие необрезиненные «тарелочки» опорных катков Т-64, доставляли немало хлопот экипажу, плохо распределяя давление на гусеницу и вынуждая быть крайне осторожными при маневрировании, дабы не лишиться гусеницы. Её потеря на мягкой почве означала для танка смертный приговор, так как узкие катки немедленно увязали в грунте и машина садилась «на брюхо». Плюсом ходовой Т-64 была дешевизна (в ней практически не использовались дорогостоящие цветные металлы), но в целом Т-72 всё равно выходил дешевле своего харьковского собрата, а его ходовая была намного
