Обкатка, заводские доводочные и военные испытания шасси 135Л начались 6 апреля 1961 года и затем проводились на шоссе, местности и на полигоне в Бронницах. Одновременно с ним в ОКБ завода «Баррикады» был собран макетный прототип пусковой установки Бр-231 модернизированного ракетного комплекса «Луна-М», который в мае в опытном порядке смонтировали на шасси ЗИЛ-135Л. 14 июля новая машина вместе с автомобилями ЗИЛ-135Е, ЗИЛ-135К, БАЗ-930, дизельными НАМИ-058 и И-210 была продемонстрирована заместителю министра обороны СССР маршалу В. И. Чуйкову с целью выбора шасси для серийного производства в Брянске. В ходе дальнейших испытаний все системы ЗИЛ-135Л в целом работали надежно. За счет независимой мягкой подвески удалось частично справиться с подпрыгиваниями и галопированием, но при этом возросли нагрузки на раму, которую пришлось на ходу усиливать привариванием косынок. Автомобиль преодолевал подъемы крутизной до 47o, доступные только гусеничным машинам. 19 октября ЗИЛ-135Л совместно с машинами БАЗ-930, И-210 и НАМИ-058 участвовал в сравнительных отборочных заездах на полигоне 21 НИИИ и показал лучшие качества по проходимости, надежности и величине снаряженной массы, хотя уступал в экономичности. Официальное заключение о преимуществе ЗИЛ-135Л было принято на научно-техническом совещании 9 марта 1962 года с участием представителей военного заказчика, основных СКБ и институтов. 20 и 21 марта последовательно появились решения местных властей о начале серийного изготовления этой машины и организации его на Брянском автозаводе. Начало работ по подготовке к сборке автомобилей было утверждено Постановлением Совмина от 27 апреля 1963 года. В августе и октябре 1962-го в Москве собрали еще четыре шасси ЗИЛ-135Л для монтажа пусковых установок 9П113 ТРК 9К52 «Луна-М» и транспортно-заряжающей машины 9Т29. Три из них успели отправить на комплектацию в Волгоград на завод «Баррикады». Впоследствии, в марте 1964 года, одна установка прошла сравнительные полигонные испытания под Ленинградом. Одновременно была построена заряжающая машина 9Т29 для перевозки трех ракет комплекса «Луна-М».
К осени 1962 года казалось, что все проблемы с машиной ЗИЛ-135Л благополучно завершились, но неожиданно в ходе подготовки их серийного выпуска в Брянске возникли новые и очень серьезные осложнения. Они заключались в категоричном отказе руководства БАЗа от обременительного изготовления сложных автоматических коробок передач, ссылаясь на отсутствие на заводе необходимого оснащения и квалифицированных кадров. По другой версии считается, что это была всего лишь форма противостояния между двумя предприятиями: своим убийственным требованием в Брянске просто пытались остановить внедрение у себя московской машины и подвигнуть военное руководство страны к переориентации на свое шасси БАЗ-930, хотя и оно снабжалось автоматической трансмиссией. Ни Министерство обороны, ни Московский автозавод эта перспектива совершенно не устраивала, поэтому Грачев предложил компромиссное решение о замене «автоматики» на две механические трансмиссии с обычными 5-ступенчатыми коробками передач ЯМЗ-204, хотя отлично понимал, что разрыв потока мощности при выборе ступеней отрицательно скажется на проходимости автомобиля. Для разработки проекта размещения новых агрегатов и создания более сложной системы рычажного синхронизированного управления в ноябре 1962 года на ЗИЛе был срочно разобран и перестроен последний четвертый автомобиль ЗИЛ-135Л, не успевший отбыть в Волгоград. Параллельно с ним спешно собирали новую 9-тонную машину ЗИЛ-135ЛМ с механическими трансмиссиями и весьма сложным дистанционным приводом переключения передач, состоявшим из рычага управления, продольного и двух поперечных карданных валов и двух механизмов переключения. Единственный образец 135ЛМ с бортовым кузовом был готов 4 марта 1963 года. Его снаряженная масса практически не изменилась, но полная возросла до 19840 кг.
Единственный образец автомобиля ЗИЛ-135ЛМ с механической трансмиссией. 1963 год