В 1957 году наружный подвод воздуха к шинам был заменен внутренним, для водителя был установлен прибор ночного видения ТВН-2, был введен бензиновый насос повышенной производительности. Машина вместо радиостанции 10РТ-12 стала оснащаться более совершенной радиостанцией Р-113. Агрегаты двигателя и ходовой части были усовершенствованы и унифицированы с грузовым автомобилем ЗИЛ-157. Эта модификация бронетранспортера получила обозначение БТР-152В1. Ее серийное производство осуществлялось с 1958 по 1962 год.
Спустя два года на вооружение Советской Армии была принята очередная модификация бронетранспортера БТР-152, получившая обозначение БТР-152К. Этот бронетранспортер был создан на базе БТР-152В1 и отличался от него наличием броневой крыши корпуса вместо съемного тента. Крыша корпуса БТР над десантным отделением состояла из горизонтальных и наклонных листов, приваренных к бортовым листам, и трех броневых крышек продольного люка. На правом и левом скатах крыши имелись стеклоблоки Б-1 широкого обзора и по одному смотровому люку с крышкой. В десантном отделении установили нагнетатель. Для улучшения условий обитаемости был установлен отопитель отделения управления и десантного отделения и сопло обдува ветровых стекол. С целью сохранения боевой массы на уровне 8,95 т численность десанта сократили с 17 до 13 стрелков. Вертлюжные кронштейны 7,62-мм пулемета СГМБ были закреплены на крыше корпуса.
На базе БТР-152В1 выпускался бронетранспортер БТР-152С1. Фактически это была машина БТР-152С, но на новом шасси с внутренней системой подвода воздуха к шинам. Еще одной спецмашиной на этом шасси стал БТР-152И (ЗИЛ-152И) — машина управления на базе БТР-152В и БТР-152В1. Эта машина имела высокий закрытый корпус с рабочими местами операторов средств связи. Она оснащалась системами вентиляции и обогрева на стоянке. Серийное производство БТР-152И продолжалось с 1957 по 1962 год.
Необходимо отметить, что машины семейства БТР-152 широко экспортировались, как в страны Варшавского договора, так и в другие государства. Для целей экспорта был разработан ряд модификаций: БТР-152Э1 — БТР-152В1 в экспортном исполнении для Ближнего Востока; БТР-152Ю1 — БТР-152В1 в южном экспортном исполнении; БТР-152Т1 — БТР-152В1 в тропическом экспортном исполнении с усиленным охлаждением и тропическим исполнением электрооборудования.
В мотострелковые части Советской Армии БТР-152 начали поступать во второй половине 1950 года. Их освоение шло быстро, подтверждением чему стало участие большого количества этих машин в параде 7 ноября 1951 года в Москве. Поступали БТР-152 и в бронетанковые войска, где использовались в качестве машин сопровождения и технического обслуживания.
Боевое крещение БТР-152 и БТР-152В получили во время событий 1956 года в Венгрии, где эти открытые сверху машины оказались легкоуязвимыми, особенно в населенных пунктах. Результатом этого опыта стало появление полностью закрытого БТР-152К.