Формальной точкой отсчета в создании ЗИС-151 можно считать работы Научного автотракторного института (НАТИ), проводившиеся во время войны под руководством инженера Н. И. Коротоношко. Зимой 1944 года они привели к модернизации американского грузовика «Студебекер US6.U4», на котором появились новые раздаточная коробка с межосевым дифференциалом и задние односкатные колеса. Однако будущий ЗИС-151 вовсе не был копией «Студебекера». Еще в 1940 году Московский автозавод собрал свои первые опытные трехосные полноприводные машины ЗИС-36, а на Горьковском заводе одновременно проводились работы по собственному варианту ГАЗ-33, документация на который впоследствии была передана на ЗИС. Война помешала довести их до работоспособного состояния.

Первый прототип автомобиля ЗИС-151 – двускатный вариант ЗИС-151-2. Май 1946 года.

Первый прототип будущего автомобиля ЗИС-151 был построен в мае 1946 года. Внешне он напоминал «Студебекер», был сходен с ним по общей конструкции, внешности и параметрам, оснащался американскими мостами, задними двускатными колесами с шинами размером 8,50 – 20, но уже снабжался перспективным отечественным двигателем ЗИС-120. Эта машина впоследствии получила неофициальное обозначение ЗИС-151-2 и имела два варианта передней облицовки – с самодельной полукруглой решеткой радиатора и вынесенным вперед прямоугольным радиатором. Осенью 1946 года появился второй прототип ЗИС-151-1 с тем же силовым агрегатом, проходным средним мостом и облицовкой от ЗИС-150, но всеми односкатными колесами с одинаковой колеей и шинами 10,50 – 20 от довоенного троллейбуса ЯТБ-3. Летом следующего года были проведены сравнительные испытания обоих прототипов с аналогичными американскими грузовиками. Лучшие результаты по проходимости показал «односкатный» ЗИС-151-1, однако в то время вновь возобладали укоренившиеся в отечественном автомобилестроении проамериканские взгляды. В результате под сильным влиянием заокеанского авторитета наши военные настояли, чтобы предпочтение было отдано машине с задними двускатными колесами, подобной американским грузовикам, «прекрасно выполнявшим все свои функции во время войны». Кроме того, по мнению военных, двускатные колеса с обычными камерными шинами обеспечивали повышенную жизнестойкость машины с десятью ведущими колесами против шестиколесной односкатной. Так к серийному производству был рекомендован менее прогрессивный «двускатный грузовик», затормозивший создание более эффективных отечественных автомобилей-вездеходов минимум на десять лет.

Второй односкатный прототип ЗИС-151-1 с облицовкой от ЗИС-150. Осень 1946 года.

Первые предсерийные образцы появились в начале апреля 1948 года, а в октябре с конвейера Московского автозавода начал сходить армейский бортовой автомобиль ЗИС-151 с задними двускатными колесами, максимально унифицированный с выпускавшимся параллельно народнохозяйственным автомобилем ЗИС-150. От него новая машина получила все основные агрегаты: чуть форсированный 6-цилиндровый двигатель ЗИС-120 (5,55 л, 92 л.с.), сухое двухдисковое сцепление, несинхронизированную 5-ступенчатую коробку передач с пятой ускоряющей ступенью, классическую рессорную подвеску с гидравлическими рычажно-поршневыми амортизаторами двустороннего действия и все барабанные тормоза с пневматическим приводом. Дополнительно ЗИС-151 оснащался двухступенчатой раздаточной коробкой с механизмом отключения привода переднего неразрезного моста с шарнирами равных угловых скоростей «Бендикс-Вейсс». Два задних ведущих моста с вертикальным разъемом смещенных в разные стороны картеров были подвешены на балансирной подвеске с двумя продольными полуэллиптическими рессорами и имели индивидуальный привод с тремя карданными валами с игольчатыми подшипниками, повышавший живучесть машины в случае выхода из строя одного из мостов. В общей сложности трансмиссия состояла из пяти карданных валов с десятью шарнирами. В комплектацию автомобиля входили пневматический вывод на тормоза прицепа, штепсельная розетка, два топливных бака вместимостью по 150 л под грузовой платформой с обеих сторон машины и короткий бампер на задней оконечности лонжеронной рамы. Он служил опорной поверхностью для однотипных машин, двигавших сзади и подталкивавших передние грузовики в тяжелых дорожных условиях. На автомобилях первого выпуска устанавливалась 3-местная деревометаллическая кабина с фанерной облицовкой, металлической передней стенкой, левым откидным лобовым стеклом и деревянными подножками. В 1950 году ЗИС-151 получил модернизированный двигатель ЗИС-121 с новым карбюратором и двойным масляным насосом, мощность которого возросла до 95 л.с, а также цельнометаллическую кабину с пневматическим приводом двух верхних стеклоочистителей. Внешне обновленные варианты отличались установкой масляного радиатора в облицовке радиатора. В стандартном исполнении машины оснащались универсальной грузовой платформой с внутренними размерами 3566x2090 мм, деревянными решетчатыми бортами высотой 926 мм и одним задним откидным бортом, но не имели предпускового подогревателя и лебедки. Все шины размером 8,25 – 20 при установке на передние и задние колеса доводились до собственного нормализованного внутреннего давления. Два запасных колеса размещались между кабиной и кузовом. Вариант ЗИС-151А снабжался передней лебедкой с тяговым усилием 4,5 тс и приводом от 3-ступенчатой коробки отбора мощности, служившей также для передачи крутящего момента на навесное рабочее оборудование. Рабочая длина троса лебедки составляла 100 м.

Армейские 2,5-тонные грузовики ЗИС-151 с цельнометаллическими кабинами.

Грузоподъемность бортовых автомобилей на местности или грунтовых дорогах составляла 2,5 т, на шоссе она достигала 4,5 т. Колесная база (от центров передних колес до оси качания задней тележки) составляла 4225 мм, задней тележки – 1120 мм (то есть – 3665+1120 мм). Колея передних и задних колес – 1590 и 1720 мм соответственно. Дорожный просвет под мостами – 265 – 270 мм. Снаряженная масса машины без лебедки – 5580 кг, с лебедкой – 5840 кг. Полная масса – 10,1 т. Габаритная длина – соответственно 6930 и 7245 мм, ширина для всех версий – 2310 мм, высота по кабине – 2295 мм. Грузовики могли буксировать прицепы массой до 3,6 т, преодолевали подъемы крутизной до 28°, боковой крен в 25° и броды глубиной до 0,8 м. Их запас хода достигал 700 км.

Грузовой автомобиль ЗИС-151А второго выпуска с передней 4,5-тонной лебедкой. 1951 год.

При общей схожести с американскими прототипами ЗИС-151 оказался более тяжелым, менее быстроходным и экономичным: его максимальная скорость не превышала 60 км/ч, а расход топлива колебался от 46 до 55 л на 100 км. К другим недостаткам относили неудобную кабину, тяжелое управление при отсутствии усилителя рулевого механизма, чрезмерную сложность и увеличенную массу трансмиссии, недостаточную проходимость, большие потери в узлах трансмиссии и ходовой части с двускатными колесами, а наличие десяти колес привело к необходимости перевозить сразу две «запаски». До сентября 1958 года в общей сложности завод собрал 194 559 автомобилей серии ЗИС-151, причем последние машины имели на капоте выштамповку «ЗИЛ».