При сохранении общей компоновки БТР-70, новая машина отличалась целым рядом изменений. Вместо двух карбюраторных моторов был установлен один дизельный двигатель большей мощности, для посадки и высадки экипажа были введены большие двухстворчатые люки в бортах корпуса. Сам корпус стал на 115 мм выше и длиннее и на 100 мм шире, хотя общая высота машины возросла лишь на 30 мм. Дальнейшее развитие получило стремление обеспечить экипажу возможность ведения огня из-под защиты брони, для чего обычные амбразуры, закрывавшиеся заслонками, в бортах корпуса были заменены шаровыми установками, развернутыми вперед. Такое решение, вкупе с так называемым активным размещением десанта, обеспечивало машине невиданную ранее концентрацию огневой мощи в передней полусфере. Бронирование бронетранспортера было усилено незначительно, но несмотря на это масса ГАЗ-5903 возросла на 18 % по сравнению с БТР-70, с 11,5 до 13,6 т. Благодаря установке более мощного двигателя подвижность машины сохранилась прежней, а запас хода даже увеличился. После успешных государственных испытаний ГАЗ-5903 был в принят на вооружение Советской Армии под обозначением БТР-80.
Предприятием-производителем новой машины был определен АМЗ — Арзамасский машиностроительный завод (до сентября 1983 года — Арзамасский завод автомобильных запчастей ПО ГАЗ), на котором с 1981 года серийно выпускался бронетранспортер БТР-70. Первый серийный БТР-80 покинул заводские цеха 24 февраля 1984 года.
БТР-80 разработан по той же компоновочной схеме, что и его предшественники БТР-60 и БТР-70: в передней части корпуса находится отделение управления, за ним десантное отделение и в кормовой части корпуса — моторно-трансмиссионное отделение.
Герметичный, полностью закрытый корпус бронетранспортера сварен из катаных стальных броневых листов, расположенных с большими углами наклона к вертикали. Он защищает экипаж и десантников от пуль ручного стрелкового оружия калибра 7,62 мм, а лобовая броня — от пуль калибра 12,7 мм.
В отделении управления оборудованы места механика-водителя и командира машины. В их распоряжении находятся перископические приборы наблюдения. В правой части лобового листа оборудована шаровая опора для ведения стрельбы из автомата. Доступ в отделение управления осуществляется через два люка в крыше корпуса.
За местами механика-водителя и командира установлены одноместные сиденья одного из пехотинцев десанта и стрелка башенной пулеметной установки. Основное вооружение БТР-80 состоит из 14,5-мм пулемета КПВТ и спаренного с ним 7,62-мм пулемета ПКТ Пулеметы установлены в конической башне с углами наведения 360° по горизонтали и от -4° до +60° по вертикали. Для освещения целей при стрельбе ночью на консоли пулеметной установки смонтирован ИК-осветитель. На кормовой стенке башни установлены дымовые гранатометы системы 902В «Туча», а в крыше — прибор ТНПТ-1, предназначенный для наблюдения башенным стрелком за дорогой и местностью, находящимися в заднем секторе обзора.
Основная часть десанта — шесть полностью экипированных пехотинцев — располагается лицом к бортам на двух сиденьях, смонтированных в десантном отделении вдоль продольной оси корпуса. Для ведения десантниками стрельбы в бортах корпуса имеется семь амбразур, выполненных с разворотом по курсу, причем две из них предназначены для ведения стрельбы из пулеметов. Амбразуры снабжены шаровыми опорами, позволяющими стрелять без разгерметизации десантного отделения на зараженной местности. По одной амбразуре для стрельбы вверх имеется и в обеих бронированных люках крыши десантного отделения.