Проектирование вагонов «Яуза» началось в 1984 году, а новый поезд сначала планировали собрать в конце 1980-х. Но во всех проектах было выявлено много недостатков, поэтому сборка «Яузы» задерживалась. Только в 1987 году было выдано задание Мытищинскому машиностроительному заводу на разработку нового метро-поезда с обозначением 81-720 и 81-721 (соответственно – головной и промежуточный).

Спустя год к разработке вагонов было решено привлечь «особое» конструкторское бюро, которое занималось исключительно оборонными разработками. Проект дизайна поезда был разработан Центром дизайна и рекламы при Волжском автозаводе (в г. Тольятти), за что впоследствии был выдвинут кандидатом на соискание российской Государственной премии.

К разработке и одновременному испытанию опытных конструкций во время проектирования были привлечены несколько специализированных институтов, предприятий и конструкторских организаций.

Элементы нового состава сначала были отработаны на экспериментальных вагонах типа ЭС-720 и ЭС-721, которые были выпущены в 1989 на ленинградском заводе им. И. Егорова. Затем отработка проводилась на экспериментальных вагонах 81-720.1 и 81-721.1, выпущенных там же год спустя. Хотя до сих пор не известно, почему испытания проводили на ленинградских вагонах.

Еще через год – в 1991, силами экспериментальной базы на Мытищинском машиностроительном заводе («Метровагонмаше») был изготовлен опытный состав из пяти вагонов с асинхронным тяговым приводом. Большую часть проектных работ выполняли в Мытищах. Механическая часть поезда была разработана учеными ВНИИЖТа. Отладку вагонов проводили на Экспериментальном кольце МПС в Щербинке. Как итог такого многогранного сотрудничества получили удачную конструкцию, ставшей базовой для широкого ряда новых разработок.