В 1961 году 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, вновь разрабатывавшийся трёхлитровый V6, имевшийся в производстве V8 от ГАЗ-23, а также — дизельный I4.

С 1962 по 1965 годы было построено до шести пластилиновых поисковых макетов, сильно различающихся по своему внешнему виду. К 1965 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.