Основное количество серийно выпущенных автомобилей ГАЗ-66 приходится на второе модернизированное поколение, собиравшееся в течение 17 с лишним лет вплоть до начала перестройки. Машины этой серии носили четырехзначный цифровой индекс без дополнительных букв. Все они имели прежнюю общую конструкцию и оснащались хорошо известной до сих пор закрытой кабиной. Главной технической новинкой являлась штатная централизованная система регулирования давления в шинах всех колес в диапазоне от 0,5 до 2,8 кгс/см2 с управлением из кабины водителя. В ее состав входили одноцилиндровый компрессор с воздушным охлаждением, пневматический баллон, регулятор давления и кран управления. Автомобили комплектовали шинами 12,00 – 18. С 1981 года на них монтировали новые световые приборы, в том числе увеличенные подфарники с оранжевыми стеклами, установленные над светомаскировочными фарами. С 1984 года – новые колеса с неразъемными ободами по образцу грузовиков ЗИЛ-157КД. Грузоподъемность бортовых автомобилей второго поколения составляла 2,0 т для всех условий движения, полная масса достигала 6 т, максимальная скорость разных версий – 90 – 95 км/ч, клиренс возрос до 315 мм. Для работы с ними выпускались 1,5-тонные одноосные прицепы категории 1-АП-1,5 и двухосные 2-тонные серии ТАПЗ-755. Главное различие вариантов исполнения состояло в наличии или отсутствии лебедок и экранированного оборудования. Ниже приведен перечень базовых версий второй серии 66 для Советской Армии.

Предсерийный ГАЗ-66-01 второго поколения на испытаниях с прицепом 1-АП-1,5. 1967 год.

ГАЗ-66-01 – базовый многоцелевой 2-тонный автомобиль с бортовой платформой и системой регулирования давления в шинах, но без лебедки. Являлся модернизацией модели ГАЗ-66 и в вооруженных силах использовался как основное многоцелевое транспортное средство или шасси для установки кузовов и надстроек общего назначения полной массой до 2830 кг. Снаряженная масса грузовика составила 3470 кг, полная – 5800 кг.

ГАЗ-66-02 – базовый многоцелевой бортовой автомобиль или шасси с лебедкой и системой подкачки шин. Модернизация машины ГАЗ-66А. Снаряженная масса – 3640 кг, полная – 5970 кг.

ГАЗ-66-03 – упрощенный многоцелевой автомобиль с бортовой платформой или шасси с экранированным электрооборудованием без лебедки и без системы регулирования давления в шинах. Машины были построены небольшой партией в 1968 – 1969 годах. Широкого применения в войсках они не получили и дальнейшего развития не имели.

ГАЗ-66-04 – базовый армейский автомобиль с бортовой платформой или шасси без лебедки с экранированным электрооборудованием, коробкой отбора мощности и системой регулирования давления в шинах. Модернизированный вариант моделей ГАЗ-66Э и ГАЗ-66Д. Шасси использовалось для монтажа многочисленных типовых кузовов-фургонов серии К-66 для радиостанций, средств управления, автоцистерн и иного оборудования с механическим приводом рабочих органов от трансмиссии автомобиля, работавшего в условиях помехозащищенности от воздействия автомобильного электрооборудования.

ГАЗ-66-05 – базовый армейский автомобиль с бортовой платформой или шасси с лебедкой, в остальном аналогичные модели 66-04 по конструкции и назначению. Являлся модернизированным вариантом модели ГАЗ-66АЭ.

ГАЗ-66-06 – упрощенное шасси двойного назначения с кабиной для монтажа типовых кузовов-фургонов серии К-66 с различным оснащением без привода рабочих органов.

Со второго семейства ГАЗ-66 берет начало еще более обширная программа экспортных модификаций, укомплектованных в соответствии с техническими и эксплуатационными требованиями и климатическими условиями страны каждого покупателя. В зависимости от этого они подразделялись на машины для поставки в страны с умеренным и влажным тропическим климатом, причем последние неофициально называли «тропиками». От исполнений для СССР они отличались улучшенными отделкой интерьера и окраской, дополнительными световыми приборами, более удобными органами управления, герметизированными агрегатами электрооборудования, новыми карбюраторами, более совершенными узлами и деталями, например, транзисторным зажиганием и бескамерными радиальными шинами, обеспечивавшими сокращение среднего расхода топлива до 26 л на 100 км.

Перечень основных экспортных исполнений: 66-51 – аналог многоцелевого автомобиля ГАЗ-66-01 без лебедки, доработанный для экспорта в страны с тропическим климатом, 66-71 – аналог 66-01 без лебедки для экспорта в страны с умеренным климатом, 66-52 – аналог 66-02 с лебедкой для стран с тропическим климатом, 66-72 – аналог 66-02 с лебедкой для стран с умеренным климатом, 66-54 – аналог армейского автомобиля ГАЗ-66-04 без лебедки с экранированным электрооборудованием для экспорта в страны с тропическим климатом, 66-74 – аналог 66-04 без лебедки с экранированным электрооборудованием для стран с умеренным климатом, 66-55 – аналог 66-05 с лебедкой и экранированным электрооборудованием для тропического климата, 66-75 – аналог 66-05 с лебедкой и экранированным электрооборудованием, доработанный для экспорта в страны с умеренным климатом.

Несмотря на «коренную» модернизацию машин второго поколения и их широкое распространение в войсках, они сохранили главные недостатки всех автомобилей серии ГАЗ-66. Еще в начале 1970-х годов, в процессе очередных контрольных испытаний серийных машин ГАЗ-66 на полигоне 21 НИИИ, были обнаружены существенные дефекты, из которых самой обидной стала запись в отчете: «Течь ржавчины из-под Знака качества». К основным недостаткам автомобилей относят тесное место водителя и неудобное управление рычагом переключения передач, располагавшимся сзади него за моторным отсеком. Кроме того, на практике подвеска ГАЗ-66 оказалась слишком жесткой, боковая устойчивость – недостаточной, а ремонт кабины был слишком трудоемким и дорогим. С началом войны в Афганистане проявился еще один непредсказуемый недостаток – высокая уязвимость экипажа при разрыве мины под кабиной. В начале 1980-х годов завод предпринял слабую попытку заменить ГАЗ-66 серией ГАЗ-3301 с новыми агрегатами и кабиной. Она осталась в опытных образцах, хотя в некоторой степени послужила основой последнего третьего поколения ГАЗ-66.

В первый год перестройки Горьковский автозавод перешел на выпуск более мощного третьего поколения грузовиков ГАЗ-66 с двумя новыми последними цифрами в четырехзначной индексации. Главными новинками являлись 120-сильный бензиновый двигатель ЗМЗ-66-06 V8, установка которого повлекла за собой несущественные изменения в трансмиссии, усиление элементов тормозной системы и подвески. Кроме того, автомобили получили вывод для питания тормозной системы прицепа. В условиях начавшегося тотального разоружения СССР грузовики ГАЗ-66 последнего семейства уже не получили широкого применения в Советской и новой Российской Армии, а на экспорт в вооруженные силы братских стран поступали только до начала 1990-х годов. В результате завод постепенно стал перестраиваться на изготовление гражданских версий ГАЗ-66. При этом базовая номенклатура, общая конструкция и комплектация армейских машин практически не изменились, но выпуск большинства военных грузовиков был свернут уже к середине 1990-х годов.