В 1958 году были начаты работы по созданию автомобиля на смену ГАЗ-21. Генеральный конструктор — А. М. Невзоров, дизайнеры — Л. И. Циколенко и Н. И. Киреев. Автомобиль изначально проектировался под разные типы двигателей — модернизированный четырёхцилиндровый от ГАЗ-21, впервые разрабатывавшийся трёхлитровый V6, имевшийся в производстве V8 от ГАЗ-23, а также — четырёхцилиндровый рядный дизельный двигатель. С 1959 по 1963 годы было построено до шести пластилиновых поисковых макетов, сильно различающихся по своему внешнему виду. К 1964 году внешний вид автомобиля в целом сложился, в основном завершалась и разработка агрегатной части. Новая модель требовала более высокой общей культуры производства, поэтому параллельно с разработкой автомобиля производилась модернизация технологического оснащения завода, на его территории были воздвигнуты новые, современно оборудованные цеха.