По ряду агрегатов, кабине и кузову автомобили ГАЗ-34 были унифицированы с серийным грузовиком ГАЗ-66А с лебедкой, но с первых же прототипов снабжались системой регулирования давления в шинах, став испытательной базой модернизированных машин ГАЗ-66-02 (с лебедкой и подкачкой), выпускавшихся с 1968 года. От ГАЗ-66 грузовик ГАЗ-34 унаследовал бензиновый двигатель V8 мощностью 115 л.с., ведущие мосты с односкатными колесами, тормозную систему с барабанными колесными механизмами, цельнометаллическую кабину, переднюю лебедку и два топливных бака общей вместимостью 210 л. Увеличение полезной нагрузки и полной массы привело к необходимости использования основных узлов трансмиссии и ходовой части от более тяжелых грузовиков ЗИЛ. От ЗИЛ-130 было заимствовано однодисковое сцепление, у грузовика ЗИЛ-131 – 5-ступенчатая коробка передач с синхронизаторами на всех ступенях, кроме первой, 2-ступенчатая раздаточная с отключением переднего моста и карданные валы. Привод обоих задних мостов на балансирной подвеске по образцу машин ЗИЛ-157 сделали индивидуальным с пятью карданными валами и промежуточной опорой. От ЗИЛ-157 была использована также коробка отбора мощности. Одними из немногих оригинальных элементов ГАЗ-34 являлись удлиненная лонжеронная рама и цельнометаллическая грузовая платформа с колесными нишами и внутренней длиной 4100 мм (+800 мм по сравнению с ГАЗ-66), но такой же ширины (2050 мм) и с такими же бортами. На ней монтировали три продольные откидные скамейки на 27 человек личного состава и тент со смотровыми окнами и вентиляционными клапанами.
Перспективный армейский ГАЗ-34 (6x6) на агрегатах ГАЗ-66 и грузовиков ЗИЛ. 1967 год
Испытания 3-тонного автомобиля ГАЗ-34 в роли легкого артиллерийского тягача. 1968 год
Оригинальной особенностью всех пяти машин ГАЗ-34 были несущественные различия в конструкции, комплектации и параметрах каждого образца. В результате расстояние между осями переднего и среднего мостов колебалось от 3445 до 3453 мм, колесная база задней тележки – 1245 или 1250 мм, габаритная длина – 6425 – 6435 мм, колея передних и задних колес – 1810 – 1815 и 1750 – 1755 мм, дорожный просвет под мостами – 306 – 312 мм. При средней снаряженной массе 5150 кг полный вес разных прототипов составляла от 8260 до 8820 кг. Все эти данные вошли в официальные отчеты, хотя вполне вероятно, что являлись просто результатом допустимых погрешностей в измерениях, ведь испытания машин ГАЗ-34 проводились раздельно на нескольких маршрутах от Москвы до Ашхабада и Ухты, на разной местности и при температурах до +42 ºС. Они доставляли личный состав, буксировали различные прицепы, минометы, 122-мм гаубицу М-30 массой 2,5 т и даже самолет Ан-25. По результатам испытаний ГАЗ-34 получил положительную оценку и был рекомендован для постановки на вооружение, но с организацией в 1967 году серийного выпуска схожего по параметрам более мощного грузовика ЗИЛ-131 интерес военных к новой машине пропал.
В 1963 – 1964 годах, практически одновременно с ГАЗ-34, Горьковский завод разработал еще один редкий для своей специализации опытный трехосный 7-тонный капотный автомобиль с задними ведущими колесами, двускатной ошиновкой и уже знакомым индексом ГАЗ-33, который также предполагалось использовать в военном деле. На нем устанавливали 140-сильный двигатель ГАЗ-41 V8 от колесной бронемашины БРДМ-2, основные агрегаты и существенно измененную облицовку от серийного грузовика ГАЗ-53 с расширенными капотом и оперением, а также удлиненную деревянную грузовую бортовую платформу. До 1966 года автомобиль проходил заводские испытания, но с началом подготовки массового выпуска подобных машин на КамАЗе и созданием сходного варианта ЗИЛ-133 работы над ним пришлось прекратить.
Опытный многоцелевой грузовик ГАЗ-33 (6x4) с силовым агрегатом от бронемашины. 1964 год