Первая модернизация была произведена в 1956 году. Тогда на крыше рубки установили командирскую башенку с прибором ТПКУ и семью смотровыми блоками ТНП. Боекомплект гаубицы- пушки МЛ-20С увеличили до 30 выстрелов, что потребовало изменения расположения внутреннего оборудования боевого отделения и дополнительных боеукладок. Вместо прицела СТ-10 установили усовершенствованный телескопический прицел ПС-10. На всех машинах смонтировали зенитный пулемет ДШКМ с боекомплектом 300 патронов. На САУ поставили двигатель В-54К с эжекционной системой охлаждения мощностью 520 л.с. Емкость топливных баков увеличили до 1280 л. Была улучшена система смазки, изменена конструкция радиаторов. В связи с эжекционной системой охлаждения двигателя изменили крепление наружных топливных баков. Установили радиостанции 10-РТ и ТПУ-47. Масса самоходки возросла до 47,2 т, однако динамические характеристики остались прежними. Запас хода возрос до 360 км. Модернизированные таким образом САУ получили обозначение ИСУ-152К.
Второй вариант модернизации имел обозначение ИСУ-152М. На машину установили агрегаты танка ИС-2М, зенитный пулемет ДШКМ с боекомплектом 250 патронов и приборы ночного видения.
В ходе капитального ремонта некоторые изменения претерпевали и самоходки ИСУ-122. Так, например, с 1958 года штатные радиостанции и ТПУ заменялись на радиостанции «Гранат» и ТПУ Р-120.
Помимо Советской Армии ИСУ-152 и ИСУ-122 состояли на вооружении Войска Польского. В составе 13-го и 25-го полков самоходной артиллерии они принимали участие в завершающих боях 1945 года. В послевоенные годы ИСУ-152 получила и Чехословацкая народная армия. В начале 60-х годов один полк, вооруженный ИСУ-152, находился в составе армии Египта.
7 ноября 1957 года по Красной площади в Москве впервые прошли самоходные ракетные комплексы. Среди них были и пусковые установки первых вариантов тактических неуправляемых ракет (по тогдашней классификации — ракетных снарядов — НУРС) типа «Филин», созданные на базе тяжелого танка ИС- 2. Впрочем, они недолго состояли на вооружении, так как более подходящей базой для сравнительно нетяжелой ракеты был легкий танк.
Самоходный стартовый агрегат 8У-218 (объект 803) для ракетного комплекса оперативно-тактического назначения 8К11 (по классификации НАТО —SS-1b Scud А) на базе ИС-2 создали в 1956-м. Годом позже началось его серийное производство, всего выпустили 56 стартовых агрегатов. Экипаж каждого состоял из 5 человек. Машина массой 40 т развивала скорость 41 км/ч. Запас хода составлял 300 км. В конце 50-х годов был принят на вооружение комплекс 8К14 (SS-1c Scud В) с более тяжелой ракетой. В качестве стартового агрегата использовалась машина 2П19 также на базе танка ИС-2, очень похожая на предыдущую. В войска новый комплекс начал поступать в 1961 году. С 1965 года стартовый агрегат 9П117 комплекса 8К14 размещается на базе четырехосного автомобиля МАЗ-543 «Ураган». В начале 60-х годов в рамках программы модернизации вооруженных сил стран — участниц Варшавского Договора ракетные комплексы 8К14 с пусковыми установками на базе танка ИС-2 поступили на вооружение армий Польши, Чехословакии, ГДР, Румынии, Венгрии и Болгарии.
Большая масса тяжелых танков ИС и самоходных орудий ИСУ вызвала потребность в соответствующем эвакуационном тягаче. В этом случае поступили так же, как с танком КВ — в качестве тягачей использовали линейные танки со снятыми башнями. Некоторое количество таких машин использовалось уже в 1945 году. При массе в 35 т тягач имел тяговое усилие на крюке 28 тс, но не имел тяговой лебедки. В начале 50-х годов машина была модернизирована — отверстие под башню в крыше корпуса закрыли крышкой, на которой установили командирскую башенку от ИС-2. В 60-е годы после снятия с вооружения ИС-2М таким образом переделали еще некоторое количество машин.