Проектирование базового автомобиля, получившего вначале марку ГАЗ-11-51, а впоследствии просто ГАЗ-51, началось в феврале 1937 года. Концепция машины формулировалась предельно четко и ясно: простой и надежный универсальный грузовик, скомпонованный из лучших по тому времени, хорошо отработанных и проверенных мировой практикой агрегатов.

В июне 1938 началось изготовление узлов, в январе 1939 г. — сборка, а уже в мае первый автомобиль поступил на дорожные испытания, закончившиеся в июле 1941 г. Летом 1940 опытный экземпляр ГАЗ-51 (с новой кабиной и облицовкой) экспонировался на Всесоюзной сельскохозяйственной выставке в Москве в числе лучших образцов советского машиностроения.

Успешно прошедшие испытания позволили заводу в 1941 г. начать подготовку серийного производства ГАЗ-51, но началась Великая Отечественная война. Ряд агрегатов ГАЗ-51 (двигатель, полуцентробежное сцепление, коробка передач, карданные шарниры на игольчатых подшипниках) были к тому времени освоены заводом и нашли широкое применение в других выпускавшихся в те годы машинах.

Работы над перспективными автомобилями возобновились в 1943 году. Быстрое развитие техники в годы войны внесло свои неизбежные коррективы в конструкцию ГАЗ-51. Ведущий конструктор А. Д. Просвирник радикально перекомпоновал и доработал машину, и от довоенного ГАЗ-51, по существу, осталось лишь название. Накопленный опыт эксплуатации на боевых машинах шестицилиндровых моторов позволил значительно усовершенствовать двигатель и обслуживающие его системы. В проект заложили хорошо зарекомендовавший себя в мировой практике гидравлический тормозной привод, спроектировали более современную и удобную кабину и облицовку. Были увеличены размеры шин, возросла грузоподъёмность автомобиля — до оптимальных 2,5 т, удалось достигнуть еще большей (до 80 %) унификации с полноприводным вариантом грузовика — ГАЗ-63, проектировавшимся параллельно на соседних компоновочных щитах, а по двигателю — с четырёхцилиндровым мотором будущей «Победы». Прогрессивная компоновка «газона» (сдвинутые вперёд двигатель и кабина, что при сравнительно короткой базе позволяло иметь достаточно длинную платформу) стала традиционной для грузовиков капотной компоновки.

Двигатель автомобиля представлял собой дефорсированную и переведённую в метрическую систему мер версию американского фирмы Dodge, лицензия на производство которого была приобретена заводом ещё в 1937 году.Несмоторя на большой, по американским меркам, возраст (пошёл в серию в 1928 году), двигатель был и для 1940-х годов достаточно совершенен конструктивно, особенно по сравнению с находившимися в те годы в производстве на ГАЗ-е архаичными двигателями типа Ford A, и поэтому для отечественных автостроителей тех лет стал настоящим откровением.

Многие технические новинки, применённые в автомобиле, в дальнейшем использовались советскими автостроителями и на других машинах. Это и износостойкие, из специального чугуна, гильзы цилиндров двигателя, и хромированные поршневые кольца, и жалюзи радиатора, предпускового подогревателя и маслорадиатора, применение которых резко повысило долговечность двигателя, и биметаллические вкладыши коленвала (сталебаббитовые, вместо заливаемых баббитом подшипников без вкладышей).

На ГАЗ-51 впервые в СССР и очень успешно применялись такие ставшие потом общепринятыми решения, как алюминиевая головка блока, вставные седла клапанов, регулируемый подогрев смеси, двойная фильтрация масла, замкнутая вентиляция картера, легкосъёмные тормозные барабаны, и многое другое. Эти передовые для тех лет технические решения в дальнейшем использовали и другие автозаводы, в частности, при модернизации автомобилей ЗИС-5 и ЗИС-150, а задний мост ГАЗ-51, доведённый до возможного совершенства, почти полностью был повторен на трёхосном ЗИС-151.

Машина постоянно в течение многих лет модернизировалась. Ее совершенствованием занимался ведущий конструктор Б. И. Шихов. Улучшалась система питания, деревянная кабина сначала стала комбинированной (в 1950), а затем цельнометаллической. В 1954 она стала отапливаться. Собственная масса автомобиля уменьшалась из года в год, снизившись к 1962 году до 2296 кг. На ГАЗ-51А, производство которого началось в 1955, была увеличена платформа, на ней устанавливались откидные боковые борта, монтировался более надёжный и эффективный ручной тормоз. До 1950 года отопитель и обдув ветрового стекла ставили только на ГАЗ-63 и северный вариант ГАЗ-51. Позже ими стали оснащать все машины. В конце 1950-х появилась щетка «дворника» на правой половине окна. У первых «51-х» была красивая комбинация приборов модели КП-5.
В 1951 году на ГАЗ-51 поставили круглые приборы от ЗИС-150, подобные тем, что применяют на сегодняшних УАЗах и некоторых грузовиках. Замок перчаточного ящика с кнопкой от «Победы» в 1960-х заменили пластмассовой ручкой с защелкой. Заметим, что на «уазовской» «буханке» старый замок с кнопкой дожил до XXI века.При любой кабине «газик» сохранял привычный внешний вид: крылья, капот, облицовка не менялись. Задолго до изобретения термина «фирменный стиль» дизайнерские решения в духе ГАЗ-51 использовали на разных советских машинах. У «51-го» сначала появился «младший брат» ГАЗ-69, потом «большой брат» «Урал-355М». На автобус ПАЗ-651 в 1950-х ставили оригинальные, но выполненные в том же стиле капот и облицовку. Позднее автобус получил унифицированный с ГАЗ-51 капот.Боковины капота ГАЗ-51 и его «родственников» легко снимаются. Летом их убирают, чтобы меньше грелся двигатель. Капот ГАЗ-51 снаружи запирают характерные крючки, и защиты от воров нет. Поднятую крышку удерживает такой же упор, как в багажнике «Победы» и ЗИМа. Под капотом рядный 6-цилиндровый нижнеклапанный двигатель «утоплен» глубоко, как на машинах 1930-х годов. Съемные боковины упрощают доступ к низко расположенному мотору для его обслуживания.Двигатель «газика» ГАЗ-51 получил современные вкладыши вместо баббитовых «заливок». В 1940-х он казался мощным: развивал 70 л.с., а рядная «шестерка» ЗИС-5 значительно большего рабочего объема выдавала 73 л.с. Низкая степень сжатия у базовой модели смягчала требования к октановому числу бензина. Модификации двигателя, аналогичного ГАЗ-51, форсировали до 80…90 л.с., повысив степень сжатия и увеличив проходное сечение коллекторов. Максимальный крутящий момент при 1500 мин–1 не только обеспечивал отличную тягу, но и позволял при старом аккумуляторе или неисправном стартере легко завести двигатель пусковой рукояткой. Блок цилиндров выдерживал до пяти ремонтных расточек.
Старые моторы ГАЗ-51 продолжали кое-как работать с низким давлением масла и плохой компрессией, а ремонт их не вызывал затруднений. Чтобы поменять вкладыши, не надо снимать двигатель с опор: передний мост не мешает удалить поддон. Масляный насос можно вынуть и отремонтировать, не разбирая двигатель: он помещен в отдельном корпусе на правой стороне блока под коллектором. Нижнеклапанная головка снимается довольно легко. Регулировку зажигания упрощает то, что трамблер и контрольное окошко верхней мертвой точки на картере маховика расположены с одной левой стороны.Правда, для элементарной регулировки клапанов требуется снимать впускной и выпускной коллекторы, а значит, отсоединять карбюратор и отворачивать много крепежа. Хорошо, что на нижнеклапанном моторе выставлять зазоры клапанов можно относительно редко.В разные годы на ГАЗ-51 завод ставил несколько моделей карбюраторов, катушек зажигания, генераторов, реле-регуляторов. Раза четыре меняли радиатор. Сначала помпу с генератором приводили два ремня, как у ГАЗ-24.
В сентябре 1955 года поставили один более прочный ремень, но на шкивах еще полгода оставалось два ручья.Усилителей руля и тормозов у ГАЗ-51 нет, но усилия на руле и педалях, по ощущению, не больше, чем на «Волге», во всяком случае, у порожнего грузовика. Габариты тоже чувствуются неплохо: по размерам «газик» сопоставим с иными современными пикапами. Управлять «51-м» было бы легко, если бы не коробка. Отсутствие синхронизаторов в коробке передач ГАЗ-51 требует выжимать сцепление дважды. Привыкнуть нетрудно, однако сначала не получается переключить передачу без скрежета. Современные автомобили и интенсивность нынешнего движения приучили переключать передачи быстрым движением руки. Рычаг старого горьковского грузовика надо перемещать значительно медленнее: в его коробке вращаются шестерни больших размеров и массы с прямозубым зацеплением, а в картере – архаичная смазка нигрол. ГАЗ-51 предназначен для неторопливой езды, допускающей медленное переключение передач. У «древних» «газиков» не было указателей поворота и правого фонаря сзади. В 1956 году в подфарники и в задние фонари ГАЗ-51 добавили секцию «поворотника», а посередине приборной панели появился тумблер включения. Маленькое круглое наружное зеркало ставили только слева даже на грузовиках с тентом и фургонах. «Нашу» машину хозяин оборудовал вторым таким же зеркалом справа и добавил легковое салонное зеркало от «Москвича-401».Раньше грузовику полагались только передние амортизаторы.

В 1964 году вслед за «Волгой» ГАЗ-51 получил телескопические амортизаторы вместо рычажных. Много раз завод менял детали рессор. Как минимум, трижды – колесные диски. Колеса ГАЗ-51 взаимозаменяемы со многими машинами от АМО-2 до ГАЗ-3309.В 1950-х ГАЗ-51 лишился такого полезного приспособления, как компрессор подкачки шин, приводимый промежуточным валом коробки передач. Тогда же завод отказался от полуцентробежного сцепления и дискового трансмиссионного тормоза. А промежуточная опора, по мнению водителей, так и осталась ненадежной, немного лучше, чем у «ГАЗели».Бортовая платформа, применявшаяся с 1956 года на базовом ГАЗ-51А, отличалась от платформы прежних выпусков не только тремя откидными бортами. Ее сделали немного шире, что позволило укладывать поперек кузова бревна длиной 2 м. На переднем борту «нашего» автомобиля есть откидная лавка. В XXI веке в России редко возят пассажиров в открытом кузове бортового грузовика. Во времена «51-х» так ездило полстраны, в том числе зимой. Ничего не защищало пассажиров ГАЗ-51 от встречного ветра. Никаких ступеней для входа в кузов не предусмотрено. Надо поставить ногу на заднее колесо, взяться обеими руками за борт, подняться и перелезть через него. При выходе, держась за борт, переносим ноги на колесо и спрыгиваем. Если высота бортов не увеличена, это легко удается даже невысокому и нетренированному человеку. Полтора десятилетия после снятия с производства ГАЗ-51 на ГАЗвыпускался грузовик ГАЗ-52-04, сохранивший многие особенности предшественника. С московских автобаз большинство ГАЗ-51 исчезло в результате показательного обновления грузового транспорта к Олимпиаде-80. В провинции и в мелких автохозяйствах больших городов немало машин дожило до перестройки, когда стало можно приватизировать грузовики.

Исключительно рациональное оформление передней части грузовика (облицовка, крылья с фарами, капот, бампер) в стиле ленд-лизовских грузовиков «ДжиЭмСи» и «Студебеккер» стало традиционным для ряда последующих машин Горьковского автозавода, сделалось как бы его визитной карточкой. Но с 1960-х ГАЗ в угоду быстротечной моде отошёл от данного удачного стилистического решения.