Второе направление опытно-конструкторской деятельности Горьковского завода по полноприводным автомобилям, зародившееся в последние предвоенные годы, со временем стало магистральным путем всех работ по повышению проходимости армейских машин. Опытные и серийные автомобили ГАЗ со всеми ведущими колесами стали хорошо известными во всем мире, если не легендарными, а своеобразной экзотикой в этой области считаются редкие экземпляры трехосных полноприводных грузовиков, не свойственных для ГАЗа, хотя завод работал над ними в течение почти 30 лет.
В первом мирном 1946 году Горьковский автозавод построил модернизированный прототип своего армейского трехосного 3-тонного полноприводного грузовика ГАЗ-33 (6x6). Он являлся развитием первого опытного образца ГАЗ-33 со средним проходным ведущим мостом, собранного в конце 1939 года, но был унифицирован с разрабатывавшимся в последние годы войны двухосным автомобилем ГАЗ-63. Он также снабжался 70-сильным двигателем и всеми односкатными колесами, а двухступенчатая раздаточная коробка от ГАЗ-63 была оборудована дополнительным выводом для привода карданного вала третьего ведущего моста. Попытка использования в качестве базы ГАЗ-33 агрегатов и ходовой части от более легкой машины привела к недостаточной мощности, повышенной массе, плохой проходимости и ненадежности автомобиля. Он явно не вписывался в уже сформировавшуюся легкую грузовую программу ГАЗа, и его доработка была передана на Московский завод, где он косвенно послужил основой армейского грузовика ЗИС-151. Не смирившись с поражением, в 1960-е годы заводские конструкторы, параллельно с созданием двухосного семейства ГАЗ-66, незаметно разрабатывали свой новый трехосный вездеход ГАЗ-34, рассчитанный прежде всего на военное применение и в то время считавшийся секретным.
Формально 3-тонный грузовик ГАЗ-34 (6x6) с кабиной над двигателем, внешне напоминавший удлиненный двухосный ГАЗ-66 с третьим ведущим мостом, разрабатывался в соответствии с техническим заданием Государственного комитета автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения при Госплане СССР. На самом деле он представлял собой попытку Горьковского завода создать облегченную бескапотную альтернативу капотному армейскому автомобилю ЗИЛ-131, который в начале 1960-х годов еще только находился на долгом пути к конвейеру, поэтому в армии грузовику ГАЗ-34 негласно отводили роль среднего бортового тягача для буксировки прицепов и артиллерийских орудий. Забегая вперед, следует отметить, что по сравнению с ЗИЛ-131 автомобили ГАЗ-34 имели уменьшенную на 1,3 т (!) снаряженную массу, сокращенную на полметра габаритную длину и на те же полметра более длинную грузовую платформу, правда, существенно проигрывали в мощности.
Разработка 34-й модели началась в марте 1964 года, когда на заводе уже началась серийная сборка семейства ГАЗ-66. В том же году был собран первый макетный прототип ГАЗ-34, а затем два опытных образца с бортовыми кузовами и кабинами от ГАЗ-66 в их предсерийном исполнении с короткими горизонтальными отверстиями над укороченными вертикальными воздухозаборными прорезями. Обе машины сразу же поступили на заводские испытания и прошли дистанции в 25 и 50 тыс. км. В 1967 году на заводе собрали еще три грузовика с серийными кабинами от ГАЗ-66, проходившие очередные заводские и военные испытания и доработки с конца 1967-го до 25 декабря 1968 года.
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.