Начало Великой Отечественной войны застало сотрудников Горьковского автозавода за освоением производства легкового армейского автомобиля повышенной проходимости ГАЗ-64, разработанного под руководством ведущего конструктора В. А. Грачева. Учитывая накопленный в 30-х годах опыт создания двухосных и трехосных шасси для бронемашин, горьковчане решили изготовить для Действующей армии легкий пулеметный бронеавтомобиль на базе ГАЗ-64.

Руководство завода поддержало инициативу Грачева, и уже 17 июля 1941 года начались конструкторские работы. Компоновку машины вел инженер Ф. А. Лепендин, ведущим конструктором назначили Г. М. Вассермана. Проектируемый бронеавтомобиль и внешне, и по боевым возможностям резко отличался от прежних машин этого класса. Автостроителям пришлось принять во внимание новые тактико-технические требования к броневикам, возникшие на основе анализа боевого опыта. Их предстояло применять для командирской разведки, при управлении боем, в борьбе с авиадесантами, при сопровождении автоколонн и противовоздушной обороне танков на марше.

Несмотря на то, что конструкторам Ю. Н. Сорочкину, Б. Т. Комаревскому, В. Ф. Самойлову и другим впервые пришлось проектировать бронекорпус, они, учтя опыт предшественников, успешно справились с заданием. Все бронелисты (разной толщины) были расположены с наклоном, что существенно повышало стойкость сварного корпуса при попаданиях в него бронебойных пуль и крупных осколков. В этом отношении новая машина превосходила даже довоенные отечественные тяжелые бронеавтомобили и аналогичные немецкие, несмотря на то, что была легче и компактнее их. Однако, до предела "ужав" корпус, конструкторы были вынуждены проявить немало изобретательности, чтобы рационально разместить в нем экипаж. Водитель находился по центру машины, а за ним, несколько выше, располагался командир, он же стрелок-пулеметчик. Некоторой доработке подвергли системы охлаждения, вентиляции картера, питания, электрооборудования (включив фильтры радиопомех), усилили заднюю подвеску. Очень важным для фронтовых условий было то, что несколько измененный стандартный двигатель работал на низкосортных маслах и бензинах.

Работа над "заводским изделием 64-125" шла быстро - уже в конце ноября закончили сварку бронекорпуса, а 9 января 1942 года бронеавтомобиль, получивший марку БА-64, опробовали на ходу. Поскольку башню смонтировать не успели, пулемет разместили на открытой турели в верхнем люке. На следующий день машину показали К. Е. Ворошилову, а 3 марта, после войсковых испытаний, членам Политбюро. БА-64 был принят на вооружение и рекомендован к производству.

Бронекорпуса для серийных машин первое время делали на Выксунском заводе дробильно-размольного оборудования, переведенном на выпуск военной продукции, а потом на самом ГАЗе, используя его мощное штампово-прессовое хозяйство. К маю 1942 года первые три БА-64 вышли на государственные испытания, а уже летом серийные броневики приняли участие в боевых действиях на Брянском, Воронежском фронтах и позднее - под Сталинградом.

БА-64 был первым отечественным бронеавтомобилем со всеми ведущими колесами, благодаря чему он успешно преодолевал на твердом грунте подъемы свыше 30°, броды глубиной до 0,9 м и скользкие косогоры с уклоном до 18°. Машина не только хорошо ходила по пашне и песку, но и уверенно трогалась с таких грунтов после остановки. Характерная особенность корпуса - большие свесы впереди и сзади облегчали БА-64 преодоление канав, ям и воронок. Живучесть броневика увеличивали пулестойкие шины ГК (губчатая камера). Впервые водитель располагал сменным смотровым блоком пуленепробиваемых стекол "Триплекс" (от танка Т-60). Два таких же блока были вмонтированы и в боковые стенки башни. В последней размещалась универсальная стрелковая установка, позволявшая вести из пулемета (боекомплект 1260 патронов) круговой обстрел наземных целей на дистанции до 1 тыс. м и воздушных - на высоте до 500 м. Значительное число машин оснащалось дуплексными рациями.

Постановлением Совета Народных Комиссаров СССР от 10 апреля 1942 года за создание БА-64 Грачев был удостоен Государственной премии.

Параллельно с серийным производством завод продолжал совершенствовать конструкцию и создавать новые модификации БА-64. Для охраны бронепоездов и разведки на местности с развитой железнодорожной сетью броневик пробовали поставить на рельсы. В декабре 1942 года испытывался БА-64в на металлических колесах с ребордами вместо автомобильных и БА-64г с обычным шасси, но с реверсом и четырьмя роликами с ребордами, попарно расположенными впереди и сзади машины, удерживавшими ее на рельсах. Для того чтобы сойти с колеи, было достаточно поднять ролики.

Весной 1943 года горьковчане построили БА-64д с крупнокалиберным пулеметом ДШК, установленным в расширенной башне. Его пули пробивали броню вражеских транспортеров и поражали самолеты на средних высотах. В том же году выпустили десантный, безбашенный БА-64е с кормовым входом в бронекорпус. На эту машину, вмещавшую 6 бойцов, предполагалось поставить 37-мм пушку.

В январе 1943 года по предложению инженера С. С. Строева изготовили БА-64з (зимний) с цепным лыжно-гусеничным движителем вместо задних колес. Система представляла развитие идей выдающегося русского инженера С. С. Неждановского. На испытаниях БА-64з уверенно ходил по любой снежной целине, преодолевал подъемы до 18°, и только недостаточные маневренность, скорость и запас хода помешали принять его на вооружение.

В 1944 году испытывался штабной безбашенный БАШ-64б и его безрамный вариант с несущим корпусом.

Уже после выпуска первых серийных машин конструкторы занялись улучшением боковой устойчивости БА-64. С этой целью колея броневика была расширена до 1446 мм, в переднюю подвеску добавили два амортизатора. В конце октября 1942 года "ширококолейный" БА-64б успешно прошел испытательный пробег, подтвердив целесообразность нововведения - допустимый крен составлял уже 25°.

Начатое весной 1943 года производство БА-64б продолжалось по 1946 год.