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.