20世纪30年代前期， 苏联人在着手进行26型轻巡洋舰（初代“基洛夫”级）设计工作的同时，并行展开了搭载更强火炮的大型巡洋舰的预研工作。1935年3月，位于列宁格勒的第1中央船舶设计局（今天“涅瓦”设计局的前身）在船体设计处负责人阿纳托利·约萨福维奇·马斯洛夫以及具体设计负责人沃因·彼得罗维奇·里姆斯基-科萨科夫的合作下，完成了名为大型巡洋舰的“ Х工程”设计工作，并绘制了基础图纸和说明文件，还制作了模型。
X型大型轻巡洋舰模型
按照设计，“Х”型大型巡洋舰将装备能够摧毁任何具备相同或更快航速的（包括条约型重巡洋舰在内的）巡洋舰，遇到敌方战列舰或战列巡洋舰也能有一搏之力的大口径主炮。其副炮分为反雷击舰艇火炮和高炮，用以有效反击来自敌方驱逐舰、鱼雷艇、潜艇以及飞机的攻击。为了能对半径50海里以内的区域实施航空侦察、校射和驱离对方轰炸机的防空任务，舰上将搭载一定数量的飞机。同时，该型舰还应具备尽可能高的航速和强大的续航能力。舰上的化学发烟装置、通信设备以及探照灯等设备的组成和安装形式都沿用26型轻巡洋舰的设计，人员编制则包括舰长、政治委员、79 名中级军官、34 名低级军官以及 600 名水兵和军士，舰上还预留了供旗舰指挥员及其参谋班子的高级舱室，以便于用作编队旗舰使用。
X型大型巡洋舰方案二视图
经模拟推演和科学论证结果表明：为了剥夺敌方舰艇的自由航行区、压制潜在对手的类似战舰，如德国的“德意志”级装甲舰和日本的“高雄”级重巡洋舰，“Х”型大型巡洋舰需要装备口径介于 220~225 毫米级别的大口径主炮。若要将未来可能出现的其他拥有更强装甲防护水平的新型战舰考虑在内，则要求采用12门240毫米口径的主炮，布置在4座主炮塔中。副炮和高炮被统一为6座双联装炮塔式高平两用炮（每舷各3座），其口径根据海军局下设科学技术委员会的意见被设定为130毫米，预计射速为每分钟12~15发/门。此外舰上还将配备2座三联装533毫米鱼雷发射装置、6 门21-К型45毫米半自动高炮和4挺12.7毫米高射机枪，在甲板上还可以装在100枚1931年式水雷在敌方基地附近执行攻势布雷任务。舰炮的射击指挥通过4部指挥测距部位进行，其中2部负责指挥主炮，另2部负责控制高平两用火炮。
在接到第1中央船舶设计局委托的设计任务后，列宁格勒金属厂下属设计局的武尔夫着手开始设计60倍径的240毫米火炮及配套的三联装主炮塔。每门火炮都拥有独立的弹药提升井，可发射初速为940米/秒、弹丸重235千克、装药量100千克的大威力重装药炮弹。火炮身管的俯仰范围在-5°~+60°，当以10°的仰角射击时，最大射速为5发/分钟。每门火炮的弹药基数为110 发。
“Х”型大型巡洋舰需要在远洋独立进行作战，因此对航空侦查提出了特别的要求。在参考了瑞典海军的“哥特兰”级载机轻巡洋舰的设计后，苏联设计师们在“Х”型舰上配备了整整9架水上飞机（当时这是一整支苏联海军水上飞机飞行大队的编制数量），通过由水上飞机进行空中校射，“Х ”型大型巡洋舰可以在不暴露自身位置的前提下发挥其主炮射程远的优势，远距离攻击海平线以外的敌方目标。9架飞机除了1架事先放置在弹射器上随时待发外，其他飞机都以机翼折叠的状态贮存在舰上机库中。如果还嫌飞机数量不够，还允许在甲板上以散件方式携带2至3架同型号的水上飞机，待起飞前再组装起来。机库中装备了能够将水上飞机送上弹射器的特殊绞盘以及吊臂，飞机返航时则利用吊臂和锁链将其吊回舰上固定。
“Х ”型大型巡洋舰的主装甲带和甲板装甲是按照抵挡英制203毫米穿甲弹来设计的，舷侧主装甲带和水平甲板的装甲厚度分别为115毫米和75毫米，舰上纵隔舱壁、上甲板和主装甲带上方的船壳外板则带有25毫米厚的防弹片装甲。
按照设计，“Х ”型大型巡洋舰应有能力避开强敌并能够追上并消灭较弱的敌人。为此该型舰的主动力装置计划配备3台功率高达210000马力的增压涡轮机以及6台与“45”型驱逐舰（不是牛牛的“顶个球”型）同一型号的直流锅炉，以保证最大航速能够达到38节。在燃料充足的情况下续航力指标应能保证以最高航速持续航行15个小时。
“Х ”型大型巡洋舰还计划携带2艘代号为“跳蚤”的袖珍潜艇-半潜式鱼雷艇。1934~1935年， 该艇作为“Х工程”配套项目同样交给了第1中央船舶设计局负责，总设计师为瓦列里扬·柳多米罗维奇·布热津斯基。“跳蚤”型袖珍潜艇-半潜式鱼雷艇的水面排水量35.3吨，水下排水量74吨。艇上装备的武器有2枚450毫米鱼雷和自卫用的机枪。
跳蚤型鱼雷艇搭载示意图
按照布热津斯基的设想，“跳蚤”型艇平时固定在“X”型巡洋舰艉部两侧的轨道上或烟囱侧面（照这种固定方式其实最多可以搭载4艘），由母舰将其送抵目标海区用自动艇架或吊臂收放。基本的战术是以半潜的状态隐蔽地接近目标，使用鱼雷发起攻击后以再以水面航行状态全速脱离战斗海域。
“跳蚤”型袖珍潜艇-半潜式鱼雷艇计划使用2台新颖时髦的单一闭式循环柴油机。所谓单一发动机，就是将艇上的柴油机同时作为水面和水下航行时的动力，而不通过推进电机来驱动螺旋桨，以此来达到较高的水下航速。“跳蚤”在水面航行时的航速33节，水下航速11节。
一开始，苏联海军对这个“多面手”方案很感兴趣，不过随着论证的深入，设计师们沮丧地发现他们在同一艘舰体上集成了太多的功能，以至于可能会无法执行较为复杂的任务。首先，“跳蚤”型袖珍潜艇-半潜式鱼雷艇的支持力只有短短的3到5天，即使母舰能够成功靠近敌方海岸附近展开活动，也很难在被敌人发现的情况下从容的将“跳蚤”艇回收，最坏的结果可能是“跳蚤”鱼雷艇和其英勇的艇员们会被无情的抛弃。“跳蚤”自身的技术性能导致了其只能在有限的封闭或半封闭海域内使用，一旦远离母舰则可能与其失去联系。而且“跳蚤”艇在母舰上是露天存放，毫无遮掩和防护，在母舰同敌方水面舰艇编队交战过程中容易中弹受损成为母舰的拖累。舰载水上侦察机虽然有其存在的必要性，但过多的搭载数量会导致水上飞机收放作业变得繁重而低效，严重影响巡洋舰执行其他任务的能力。因为以上原因，“Х”型大型巡洋舰仅仅停留在方案论证和模型阶段，并未能投入建造。