Начало Великой Отечественной войны застало сотрудников Горьковского автозавода за освоением производства ГАЗ-64 — легкового армейского автомобиля повышенной проходимости, разработанного под руководством ведущего конструктора В. А. Грачева в начале 1941 года. 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 двухосного полноприводного автомобиля 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. Конструкторам пришлось принять во внимание новые тактико-технические требования к броневикам, возникшие на основе анализа боевого опыта. Машины предстояло применять для разведки для управления войсками во время боя, в борьбе с авиадесантом, для сопровождении автоколонн, а также для противовоздушной обороны танков на марше. Также определенное влияние на конструкцию новой машины оказало знакомство заводчан с немецким трофейным бронеавтомобилем SdKfz 221, который 7 сентября был доставлен на ГАЗ для детального изучения.

Проектирование и изготовление бронеавтомобиля продолжалось около шести месяцев — с 17 июля 1941 года по 9 января 1942 года. 10 января 1942 года новый бронеавтомобиль осмотрел член Государственного комитета обороны Маршал Советского Союза  К. Е. Ворошилов. После успешного завершения заводских и войсковых испытаний бронеавтомобиль 3 марта 1942 года был представлен Членам Политбюро ЦК ВКП(б), и уже летом того же года первая партия серийных бронеавтомобилей была направлена в войска Брянского и Воронежского фронтов. За создание бронеавтомобиля БА-64 постановлением

Совета Народных Комиссаров СССР от 10 апреля 1942 года В. А. Грачев был удостоен Государственной премии СССР. Бронеавтомобиль БА-64 был выполнен по классической схеме с передним расположением двигателя передними управляемыми и всеми ведущими колесами с неразрезными мостами, подвешенными впереди на четырех четвертьэллиптических, сзади — на двух полуэллиптических рессорах.

Сверху на жесткую стандартную раму от ГАЗ-64 монтировался многогранный цельносварной корпус, изготовленный из листов катаной стали толщиной от 4 до 15 мм. Для него были характерны значительные углы наклона броневых листов к горизонтальной плоскости, сравнительно небольшие габаритные размеры и масса. Борта корпуса состояли из двух поясов бронелистов 9 миллиметровой толщины, которые для повышения пулестойкости располагались так, что продольные и поперечные сечения корпуса представляли собой две сложенные основаниями трапеции. Для входа и выхода из машины экипаж располагал двумя открывавшимися назад и вниз дверями, которые находились в нижних частях бортов справа и слева от водителя. В торцевой задней части корпуса навешивалась бронекрышка, защищавшая заливную горловину бензобака.

Корпус БА-64 не имел заклепочных соединений — стыки листов брони были гладкими и ровными. Петли дверей и люков — наружные, приварные или на выступающих заклепках. Доступ к двигателю осуществлялся через верхнюю, открываемую назад бронекрышку моторного отделения. Все люки, двери и крышки запирались снаружи и изнутри. Впоследствии для улучшения условий работы водителя были введены воздухозаборники на верхней крышке капота и в передней части крышки бронекорпуса. На нижнем левом бортовом бронелисте перед дверцей (сразу за крылом) двумя хомутами крепился механический винтовой домкрат — таким до сих пор комплектуются автомобили УАЗ.

Снаружи на левом боковом листе моторного отсека над крылом размещался лом с «лапкой». Над крылом левого заднего колеса на нижнем бронелисте корпуса наклонно крепились топор и пила-ножовка, а на противоположной стороне бронекорпуса над крылом правого заднего колеса штыком вперед — саперная лопата. Изготовление корпусов и башен первых серийных бронеавтомобилей осуществлялось в г. Выксе на заводе дробильно-размолочного оборудования, имевшем для этого необходимую технологическую оснастку, а потом и на ГАЗе, где в полном объеме использовалось его мощное штамповочное и прессовое оборудование.

До предела уменьшив размеры корпуса, конструкторы были вынуждены проявить немало изобретательности, чтобы рационально разместить в нем экипаж. Водитель бронемашины располагался в отделении управления по центру машины, а за ним несколько выше располагался командир, выполнявший обязанности стрелка-пулеметчика.

Наблюдать за дорогой и местностью водитель мог через зеркальный прибор наблюдения со сменным блоком пуленепробиваемых стекол типа «триплекс», установленный в открывающемся люке лобового листа корпуса и защищаемый снаружи бронезаслонкой. Кроме того на некоторых машинах в верхних боковых листах отделения управления устанавливались лючки для бокового обзора открывавшиеся при необходимости водителем.

В задней части бронемашины на крыше корпуса была установлена башня кругового вращения, выполненная методом сварки из бронелистов толщиной 10 мм и имевшая форму усеченной восьмигранной пирамиды. В передней части стык башни с корпусом экранировался защитной накладкой — бруствером. Сверху башня была открытой и на первых образцах закрывалась откидной сеткой. Этим обеспечивалась возможность наблюдения за воздушным противником и ведения по нему огня из бортового оружия. Башня устанавливалась в корпусе бронеавтомобиля на конусной колонке. Вращение башни осуществлялось вручную усилием командира-стрелка, который мог повернуть ее и остановить в требуемом положении с помощью тормоза. В лобовой стенке башни имелась амбразура для ведения огня по наземным целям, а в ее боковых стенках были смонтированы два прибора наблюдения идентичные прибору наблюдения водителя. Вне поля боя башню обычно зачехляли.

БА-64 был вооружен 7,62-мм пулеметом ДТ. В бронеавтомобиле впервые была применена универсальная установка пулемета, которая обеспечивала круговой обстрел из башни наземных целей на дистанции до 1000 м и воздушных целей, летящих на высоте до 500 м. Пулемет мог выдвигаться по стойке вверх из вертикальной амбразуры башни и фиксироваться на любой промежуточной высоте. Для стрельбы по воздушным целям пулемет снабжался кольцевым прицелом. В вертикальной плоскости пулемет наводился на цель в секторе от -36° до +54°. Боекомплект бронеавтомобиля состоял из 1260 патронов, снаряженных в 20 магазинов и 6 ручных гранат. Большинство бронемашин были оснащены радиостанциями РБ-64 или 12-РП с радиусом действия 8-12 км. Штыревая антенна крепилась вертикально на задней боковой (правой) стенке башни и выступала над ее торцом на 0,85 м.

В моторном отсеке БА-64 был установлен незначительно модифицированный стандартный двигатель ГАЗ-64, способный работать на низкосортных маслах и бензинах, что было крайне важно для эксплуатации бронемашины во фронтовых условиях. Четырехцилиндровый карбюраторный двигатель жидкостного охлаждения развивал мощность 36 8 кВт (50 л. с.), что позволяло 2,36-тонной бронемашине двигаться по дорогам с твердым покрытием с максимальной скоростью 80 км/ч. Подвеска бронеавтомобиля обеспечивала возможность движения по грунтовым дорогам и пересеченной местности с достаточно высокой средней скоростью до 20 км/ч. С полным топливным баком емкость которого составляла 90 л, БА-64 мог пройти 500 км, что свидетельствовало о достаточной боевой автономности машины.

В полноприводной (4×4) ходовой части с подвеской из продольно расположенных рессор и гидравлических поршневых амортизаторов одностороннего действия использовались односкатные колеса с пулестойкими шинами типа ГК (губчатая камера) размером 7,00-16, покрышки которых заполнялись пористой резиной. Вне боевой обстановки использовались пневматические шины размером 6,50-16, с развитыми грунтозацепами, имевшими рисунок «прямая елка» (шины типа ГК) или «косая расчлененная елка» (обычные пневматики). Диски колес имели характерные штампованные 14 спиц и были заимствованы от легкового автомобиля ГАЗ-М-1. Полуоси колес заканчивались заметно выступающими наружу конусами с проточкой посредине под съемник с зашплинтованной гайкой. Бронеавтомобиль имел 31 место смазки, требовавших восемь сортов смазок и масел для 78 точек смазки.

БА-64 стал первым отечественным бронеавтомобилем со всеми ведущими колесами, благодаря чему 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 мягких грунтов после остановки. Характерная особенность корпуса — большие свесы впереди и сзади, облегчали бронемашине преодоление канав ям и воронок.

В 1942 году в связи с проведенной модернизацией базовой машины ГАЗ-64 подвергся усовершенствованию и бронеавтомобиль БА-64. Модернизированный бронеавтомобиль, получивший обозначение БА-64Б, имел расширенную до 1446 мм колею, увеличенную габаритную ширину и массу, повышенную до 39,7 кВт (54 л. с) мощность двигателя, усиленную систему охлаждения двигателя и переднюю подвеску с четырьмя амортизаторами вместо двух. В конце октября 1942 года модифицированный БА-64Б успешно прошел испытательный пробег, подтвердив целесообразность проведенных работ — допустимый крен составлял уже 25°. В остальном величины профильных препятствий преодолеваемых модернизированным бронеавтомобилем практически не изменились по сравнению с бронеавтомобилем БА-64.

Начатое весной 1943 года производство БА-64Б продолжалось до 1946 года. В 1944 году производство БА-64Б по отчетности НКО стабильно составляло 250 машин в месяц — 3000 в год (с рацией — 1404 единиц). Несмотря на свой основной недостаток — малую огневую мощь — бронеавтомобили БА-64 успешно применялись при проведении десантных операций, разведывательных рейдов, для сопровождения и боевого охранения пехотных подразделений.

Особенно удачным оказалось применение БА-64 в уличных боях, где важным фактором была возможность весть стрельбу по верхним этажам зданий. БА-64 и БА-64Б принимали участие во взятии польских, венгерских, румынских, австрийских городов, в штурме Берлина. Всего, по данным военных, от заводов-изготовителей было получено 8174 бронеавтомобиля БА-64 и БА-64Б, из них 3390 радиофицированных машин. Последние 62 бронеавтомобиля заводы изготовили в 1946 году. Всего за период с 1942 по 1946 гг заводы выпустили 3901 бронеавтомобиль БА-64 и 5209 БА-64Б.

БА-64 стал последним представителем бронеавтомобилей в Советской Армии. К концу войны боевые действия разведывательных подразделений все чаще проводились на колесных и гусеничных бронетранспортерах типа МЗА или полугусеничных М9А1.

В послевоенной Советской Армии бронеавтомобили БА-64Б (узкоколейных БА-64 практически не осталось) использовались как учебно-боевые примерно до 1953 года. В других странах (Польша, Чехословакия, ГДР) их использовали гораздо дольше. В 1950-х годах в ГДР разработали модернизированную версию БА-64, которая получила обозначение SK-1. Построенная на удлиненном шасси «Робур Гарант 30К» внешне она сильно напоминала БА-64. Бронемашины SK-1 поступали на вооружение сил полиции и пограничной охраны ГДР. Большое количество броневиков БА-64Б было отправлено в Югославию, КНДР и Китай.