2000년 즈음에 처음으로 구상된 KSLV-I의 구조는 KSR-III 4기를 묶어 1단, KSR-III 2기를 묶어 2단, KSR-III 1기로 묶어 3단, 마지막으로 4단에 고체 킥모터를 사용해 2005년에 발사할 예정이었다. 하지만 KSR-III으로는 본격적으로 우주발사체에 사용하기에 성능이 부족하다는 의견이 힘을 얻고, 또한 KSR-3가 개발 도중에 여러차례 목표가 변경되어 점차 처음 계획과는 다른 물건이 되어가서 이를 KSLV-I에 사용하는것이 부적합하다고 판단되어 설계변경에 들어간다. 그렇게해서 2001년에 나온 계획에서는 1단으로 KSR-III보다 강한 추력의 액체추진엔진을 신규개발하여 4기를 사용하고 2단에는 KSR-III를 사용, 3단에 고체추진을 사용하도록 변경되었다.

한편 2001년에 우리나라가 MTCR에 가입하면서 국제협력을 통한 기술개발이 가능해졌고, 따라서 같은 년도에 위의 계획안을 기초로 러시아에 개념설계 관련해 용역을 발주한다. 이러한 용역연구의 결과물을 가지고 2002년에 KSLV-I의 계획을 다시 한번 변경하여 1단에 고추력 액체추진, 2단에 고체추진을 사용한다는 계획이 확정되었다. 이에 따라 러시아와의 기술협력을 위해 여러차례 러시아측과 회의를 진행하였으며, 이를 토대로 2004년 즈음에는 1단은 한러 공동개발, 2단은 국내 개발한다는 협력내용이 가시화되었다. 당시 계획에 의하면 발사체의 전체적인 시스템 설계는 한러 기술진이 공동으로 설계하여 작업하며, 1단 서브시스템의 설계⋅제작⋅시험은 러시아에서 담당 및 한국 기술진이 여기에 참관⋅참여하는 형식으로 공동개발이 이루어진다. 2단의 경우에는 러시아의 기술지원 및 설계검토를 받아 한국에서 설계 및 제작을 수행한다. 이러한 계획 변경에 맞춰 발사시기 역시 2007년 10월로 조정되었다.

한편 러시아와의 국제협력이 원활하게 진행되지 못할 경우를 대비해 독자 개발 예비안에 대한 연구 역시 진행되었다. 이 예비안은 2001년안과 유사하게 1단에 4기의 액체로켓엔진, 2단엔 1기의 엔진을 사용하고 3단은 고체추진을 하도록 설계되었으나, 엔진의 추력이 25톤급으로 상향되고 2001년안의 가압식 엔진과는 달리 터보펌프식 엔진을 사용하도록 구성되었다. 이 예비안은 실제로 예비설계검토회의(PDR)까지 진행될 정도로 강력한 대안이었으나 러시아와의 국제 협력이 이뤄지면서 무산되고 선형연구 차원의 액체로켓엔진 연구만 계속 진행되었다.