Во второй половине 1933 года в танковом цехе Харьковского паровозостроительного завода имени Коминтерна БТ-2 сменил новый вариант — БТ-5. Последний являлся, по существу, все тем же БТ-2, но с совершенно новой башней, в которой устанавливалась 45-мм танковая пушка образца 1932 года с дублированным оптическим прицелом (телескопический и перископический). На танке установили командирскую радиостанцию. В 1933-1934 годах было выпущено 1884 танка БТ-5.

Основное отличие БТ-5 — двухместная башня новой формы со спаренной установкой вооружения. Корпус танка подвергся незначительным изменениям. В ходовой части литые опорные катки были заменены штампованными (1935 г.), диаметр опорных катков увеличился до 830 мм. В отличие от БТ-2 гребневые траки гусеничной цепи цельноштампованные, а не сварные. Боевая масса танка БТ-5 возросла до 11,5 т. Его бронирование осталось таким же, как и у танка БТ-2. Увеличение веса произошло в результате установки 45-мм пушки в башне больших размеров.

На танках БТ-5 устанавливались два типа башен — сварная с большой нишей разработки и производства Ижорского завода или клепаная с малой нишей разработки Мариупольского металлургического завода имени Ильича. Последний, изготовив 230 таких башен, частично установленных на БТ-5 и частично на Т-26, перешел на выпуск ижорской конструкции.

Корпус башни имел форму цилиндра с выступающей с боковой стороны овальной нишей (у клепаной башни ниша была прямоугольной). Цилиндрическая часть корпуса была склепана или сварена из двух листов — переднего и заднего. В переднем листе вырезано прямоугольное отверстие для спаренной установки пушки и пулемета. По бокам имелись две смотровые щели и два круглых отверстия для стрельбы из револьвера.

Ниша сварной башни имела овальную форму и служила противовесом пушки и одновременно местом для укладки боеприпасов или размещения радиостанции. В заднем листе ниши имелось отверстие для доступа внутрь, закрываемое дверцей на петлях, запирающейся снаружи. В нишах клепаных башен задняя стенка была глухая, без дверцы.

Крыша башни сделана из двух листов. Один располагался над цилиндрической частью, другой — над нишей. В крыше башни имелись: люк для входа и выхода экипажа, закрывающийся двумя дверцами на петлях и запирающийся изнутри танка; отверстие для вентиляции, расположенное на продольной оси башни над казенной частью пушки; отверстие для перископического прицела — слева; отверстие для флажковой сигнализации — справа; два отверстия для прохода тяг, поддерживающих кронштейн подъемного механизма пушки.

Масса оборудованной сварной башни без вооружения и боеприпасов равнялась 675 кг, а с вооружением и боеприпасами — 1100 кг. Поворот башни осуществлялся вручную.

Танки БТ-5 оснащались 45-мм полуавтоматической танковой пушкой 20К образца 1932 года и спаренным с ней пулеметом ДТ, которые устанавливались в общей маске, вращавшейся на горизонтальных цапфах в бронзовых втулках рамки башни, с углами возвышения от -8° до +25°. Тело орудия крепилось к маске с помощью бронзовой муфты и опиралось захватами на полозья люльки.

Пушка имела полуавтоматический затвор механического типа с электромагнитным и ручным спусками, корытообразную люльку, гидравлический тормоз отката, пружинный накатник и секторный подъемный механизм. Стрельба из пушки и пулемета производилась ножными спусками, педали которых расположены на подножке под правой ногой наводчика.

На танках последних выпусков устанавливалась 45-мм пушка образца 1934 года. На этой пушке полуавтоматика механического типа была заменена полуавтоматикой инерционного типа. Последняя работала полностью только при стрельбе бронебойными снарядами; при стрельбе осколочными — как четверть автоматики, то есть открывание затвора и экстрактирование гильз производились вручную, и при вкладывании очередного патрона в камору затвор закрывался автоматически. Это объясняется различными начальными скоростями бронебойного и осколочного снарядов.

Кроме того, пушка образца 1934 года отличалась от предыдущей конструкцией противооткатного устройства и подъемного механизма, был усилен клин затвора, проволоку ножного спуска заменили тросом, усилили крепление люльки с маской, внесли еще ряд небольших усовершенствований.

Прицельные приспособления спаренной установки состояли из двух оптических прицелов, танкового телескопического прицела ТОП образца 1930 года и танкового перископического панорамного прицела ПТ-1 образца 1932 года.

Кроме того, пулемет имел свой открытый прицел и мог стрелять независимо от орудия. При независимой стрельбе из пулемета сектор обстрела по вертикали составлял 4-4,5°. Масса магазина с патронами — 3,14 кг.

Наблюдение за полем боя производилось через прицелы и два смотровых прибора с пуленепробиваемыми стеклами «триплекс», расположенными на внутренних боковых стенках башни.

Боекомплект состоял из 115 пушечных выстрелов (у танков с рацией — 75 выстрелов) и 2709 патронов (43 магазина). На полу боевого отделения горизонтально на деревянных подкладках укладывались 29 снарядов, на правой и левой стенках в вертикальных обоймах в два ряда — 32 снаряда (по 16 на каждой). На стенках башни по одну и другую стороны от ниши вертикально размещалось по 7 снарядов (всего 14). Укладка снарядов в нише башни разделялась на две части — правую и левую. В каждой части по 20 снарядов (5 рядов по 4 снаряда), а всего 40. На танках с рацией боеукладки в нише башни не было. У танков с клепаной башней боекомплект составлял 100 артвыстрелов, из которых 25 находились в нише башни.

Пулеметные магазины (диски) располагались в гнездах на правой и левой стенках боевого отделения над снарядной укладкой, на каждой стороне — по 19 дисков, всего 38. Кроме того, 6 дисков было уложено на стенке башни.

Конструкция ходовой части осталась такой же, что и на танке БТ-2. В связи с этим следует отметить, что при движении на колесном ходу у танков БТ ведущими колесами являлись только задние опорные катки, на которые приходилось около 1/3 веса танка. Поэтому тяговые качества этих танков на колесном ходу были значительно ниже, чем при движении на гусеницах. Колесный ход мог использоваться только на дорогах с твердым покрытием, а на мягком грунте ведущие колеса врезались в грунт и буксовали. Следовательно, возможности использования колесного хода были весьма ограниченными. Главное достоинство танков БТ заключалось не в том, что они были колесно-гусеничными, а в том, что при движении на гусеницах они были способны развивать большие скорости движения.

Боевое крещение танки БТ получили в Испании. Из 50 танков БТ-5 и советских танкистов-добровольцев, прибывших в Картахену, был сформирован отдельный Интернациональный танковый полк Республиканской армии. Его командиром стал С. И. Кондратьев. В первый крупный бой полк вступил под Сарагосой 13 октября 1937 года. Танкисты совместно с 15-й интернациональной бригадой атаковали сильно укрепленный поселок Фуэнтес де Эбро. В ходе упорного двухчасового боя республиканцы потеряли 16 танков. Другой важной операцией с участием БТ-5 стал штурм города-крепости Теруэль в декабре 1937 — феврале 1938 года. За время затянувшегося штурма из строя танкового полка выбыли еще 15 боевых машин.

В марте 1938 года после отзыва советских добровольцев и военных советников полк был расформирован, а оставшиеся в строю БТ-5 вошли в состав бронетанковой бригады Республиканской армии. Небольшое количество трофейных машин использовалось войсками генерала Франко.

Вопреки отдельным сообщениям отечественной и зарубежной печати ни БТ-2, ни БТ-5 в ходе вооруженного конфликта у озера Хасан летом 1938 года не участвовали. А вот годом позже они пошли в сражение против японских самураев в монгольских степях у реки Халхин-Гол.