Как уже отмечалось, ракета была оснащена комбинированной двигательной установкой. Впереди распо лагался камера газогенератора с зарядом двигателя маршевой (второй) ступени 9Д16К. Для твердотопливного газогенератора невозможно регулировать расход топлива в соответствии с фактическими условия ми полета, так что выбор формы заряда осуществлялся исходя из условной типовой траектории, которую в те годы разработчики считали наиболее вероятной при боевом применении ракеты. Номинальная продолжительность работы немного превышала 20 секунд, масса топливного заряда (длиной 760 мм) составляла около 67 кг. Состав разработанного НИИ-862 топлива ЛК-6ТМ характеризовался большим избытком горючего по отношению к окислителю. Продукты сгорания заряда газогенератора поступали в камеру дожигания, где остатки горючего сгорали в потоке воздуха, входящего через 4 воздухозаборника. Входные устройства воздухозаборников, рассчитанных на сверхзвуковые условия работы, оснащались коническими центральными телами. На стартовом участке, до включения маршевого двигателя, выходы каналов воздухозаборников в камеру дожигания были закрыты стеклопластиковыми заглушками.
В камере дожигания размещался твердотопливный заряд стартовой ступени - обычная шашка с бронированными торцами (длиной 1,7 м и диаметром 290 мм, с цилиндрическим каналом диаметром 54 мм) из баллиститного топлива ВИК-2 массой 172 кг. Так как газодинамические условия работы твердотопливного двигателя на стартовом участке и ПВРД на маршевом участке требовали различной геометрии сопла камеры дожигания, по завершении работы стартовой ступени (длительностью 3-6 секунд) предусматривался отстрел внутренней части соплового аппарата со стеклопластиковой решеткой, удерживающей стартовый заряд.

Надо отметить, что именно в ракете 3М9 подобная конструкция впервые в мире была доведена до стадии серийного выпуска и принятия на вооружение. В дальнейшем, после специально организованного похищения израильтянами нескольких ракет 3М9 в ходе войны 1973 года на Ближнем Востоке, советская ЗУР послужила прототипом при создании ряда зарубежных зенитных и противокорабельных ракет.

Применение ПВРД обеспечило поддержание большой скорости ракеты 3М9 на всей траектории, что способствовало обеспечению высокой маневренности. При проведении учебных и контрольно-серийных пусков ракет систематически достигалось прямое попадание в цель, что случалось крайне редко при применении других относительно крупных зенитных ракет.