С 1933 года в новых цехах реконструированного Луганского паровозостроительного завода началось строительство мощных паровозов типа 1-5-1 серии ФД, но остальные паровозостроительные заводы и старые цеха Луганского завода продолжали выпускать паровозы серии Э, конструкция которых к этому времени уже устарела. Однако старые, нереконструированные заводы строить более мощные паровозы не могли.
Стремясь создать такой тип локомотива, который мог бы строиться на всех заводах, эксплуатироваться без перестройки депо, поворотных кругов и верхнего строения пути и быть более мощным, чем паровозы серии Э, научно-исследовательский институт реконструкции тяги НКПС разработал эскизный проект паровоза типа 1-5-0 на базе паровоза серии Э. Переход от типа 0-5-0 к типу 1-5-0 позволял при сохранении той же нагрузки от колёсных пар на рельсы значительно увеличить котёл, а следовательно, повысить силу тяги по котлу, чтобы увеличить техническую скорость вождения грузовых поездов.
Детальную разработку проекта и рабочие чертежи выполнил коллектив конструкторов Харьковского паровозостроительного завода под руководством П. М. Шаройко.
Площадь колосниковой решётки заново спроектированного котла этого локомотива составила 6 м2 (против 4,46 м2 у паровозов серии Э), испаряющая поверхность нагрева — 229,7 м2, газовая поверхность нагрева пароперегревателя — 93,6 м2. Последние два параметра относились только к первым трём опытным паровозам СО17-1 — CO17-3, имевшим по 147 дымогарных и 50 жаровых труб. В дальнейшем на паровозах серии СО устанавливались 139 дымогарных труб и 52 жаровые трубы, при которых испаряющая поверхность нагрева составляла 227,4 м2, а поверхность нагрева пароперегревателя — 97,3 м2. Давление пара в котле сохранилось равным 14 кгс/см².
В отличие от паровозов серии Э, имевших топки с плоскими потолками кожуха и огневой коробки, на паровозах серии СО были сделаны радиальные топки с цилиндрическим потолком, хорошо зарекомендовавшие себя на паровозах серии Ел. Чтобы уменьшить зарастание элементов накипью и, как следствие, частоту прогаров, вместо перегревателя системы Чусова сразу же был установлен двухоборотный пароперегреватель Шмидта типа Ж-241. Шуровочное отверстие топки было спроектировано из расчёта установки механического углеподатчика.