Ключевые изменения при модернизации: Двигатель: алюминиевая головка блока цилиндров вместо чугунной, увеличенная степень сжатия (с 6,0 до 6,2), новый масляный картер, герметизированный топливный насос. Подвеска и ходовая часть: усиленные лонжероны рамы, изменённые места крепления передней рессорной подвески и буксирных крюков. Кабина: утеплённый корпус, устранение провесов дверей и щелей, установка отопителя с дополнительным радиатором и вентилятором. Внешний вид: вместо горизонтальной решётки радиатора с жалюзи появилась вертикальная.

С конца 1961 года завод начал выпуск модификации ЗИЛ-164А, в которую были внедрены узлы от перспективной модели ЗИЛ-130: однодисковое сцепление, новая коробка передач, ручной тормоз, карданные валы, телескопические амортизаторы и комбинированный тормозной кран. Внешне ЗИЛ-164А отличался от базовой модели расположением жалюзи на боковинах капота (у ранней версии они были горизонтальными, у модернизированной — вертикальными). К началу 1960-х годов ЗИЛ-164 и его модификации успели значительно устареть, и в 1965 году автомобили серии 164 были сняты с производства.

Технические характеристики: Двигатель: Тип: карбюраторный, четырёхтактный, шестицилиндровый, рядный. Рабочий объём: 5555 см³. Мощность: 100 л. с. (73,5 кВт) при 2800 об/мин. Крутящий момент: 324 Н·м при 1200 об/мин. Степень сжатия: 6,2. Рекомендованное топливо: А-72. Система питания: карбюратор МКЗ-К-82 с пневматическим регулятором оборотов. Трансмиссия: механическая, пятиступенчатая. Массогабаритные параметры: Длина: 6700 мм. Ширина: 2470 мм. Высота: 2180 мм. Клиренс: 265 мм. Колёсная база: 4000 мм. Колея: передняя — 1700 мм, задняя — 1740 мм. Снаряжённая масса: 4100 кг. Полная масса: 8250 кг.

Грузоподъёмность: По асфальтобетонным дорогам: 4000 кг. По грунтовым дорогам: 3500 кг. Максимальная скорость: 75 км/ч. Расход топлива: 27 л на 100 км при скорости 40 км/ч. Объём топливных баков: 150 л. Подвеска: передняя — рессорная, с амортизаторами; задняя — рессорная. Размер шин: 260-20. Главная передача: двойная, передаточное число — 7,63. Кабина: цельнометаллическая, трёхместная. Кузов: деревянная платформа с тремя откидными бортами.

Модификации На базе ЗИЛ-164 и ЗИЛ-164А выпускались различные специализированные версии: ЗИЛ-164Р — бортовой грузовик для работы с прицепом. ЗИЛ-164Д — бортовой грузовик с экранированным электрооборудованием. ЗИЛ-164Г — шасси для самосвала. ЗИЛ-ММЗ-164Н — седельный тягач. ЗИЛ-164А — модернизированная версия с новыми агрегатами от ЗИЛ-130. Газобаллонные модификации: ЗИЛ-166 и ЗИЛ-166А для работы на сжатом газе и бензине.

Конструктивные преимущества для плохих дорог: Высокий клиренс — 265 мм. Это позволяло уверенно преодолевать колеи, неровности, небольшие валуны и другие препятствия, типичные для полевых и просёлочных дорог. Усиленная рама и подвеска. Лонжероны рамы усилили по сравнению с ЗИС‑150, а подвеска была рессорной на обеих осях — это давало грузовику живучесть на разбитых дорогах и способность выдерживать ударные нагрузки. Двойная главная передача с большим передаточным числом (7,63). Такое решение увеличивало тяговое усилие на колёсах, помогая трогаться и двигаться на низких скоростях по тяжёлым участкам (размокшая глина, подъём, глубокая колея). Тяговитый низкооборотистый двигатель. При 100 л. с. максимальный крутящий момент достигался уже на 1200 об/мин (324 Н·м). Это позволяло двигаться «внатяг», не буксуя и не перегружая трансмиссию. Простота и ремонтопригодность. В условиях удалённой стройки или колхоза это было важным «преимуществом проходимости»: если машина застревала или ломалась, её можно было быстро починить подручными средствами и продолжить работу.