Постоянно работая над усовершенствованием Урал-375Д, конструкторы завода сделали первоначальную конструкцию безопаснее и долговечнее. Единственным крупным недостатком был двигатель, работающий на высокооктановом бензине.
Завод предпринимал попытки разработки собственного дизельного двигателя еще в 60-х, но дальше опытных образцов дело не зашло. Решение пришло в 1969 году, когда было принято решение о строительстве завода силовых агрегатов в Набережных Челнах, который должен был выпускать двигатели не только для КамАЗа, но и для УралАЗа.
Прототипы дизельного двигателя ЯМЗ-740 были готовы в 1972 году, и после тщательных испытаний их рекомендовали к установке на новый Урал-4320. Производство грузовиков и шасси линейки Урал-4320 было начато 17 ноября 1977 и фактически данная серия производится по настоящее время, хотя и в существенно модернизированном виде.
Серийный двигатель, получивший обозначение КамАЗ-740.10, имел V-образное расположение 8 цилиндров и мощность 210 л.с. После пожара на заводе двигателей КамАЗа в 1993 году пришлось устанавливать ярославские двигатели ЯМЗ-236 (модификация Урал-4320-10) и ЯМЗ-238 (модификация Урал-4320-30).
Первоначально модификации с двигателем ЯМЗ-238 отличались внешне более длинным моторным отсеком, а машины с двигателем ЯМЗ-236 сохранили такой же моторный отсек, как у машин с двигателем КАМАЗ-740. С середины 2000-х все машины независимо от модели двигателя выпускаются с удлинённым моторным отсеком.
Дизельный двигатель шел в паре с механической 5-ступенчатой коробкой передач КамАЗ-141 с синхронизаторами на II, III, IV и V передачах. Раздаточная коробка двухступенчатая с межосевым блокируемым дифференциалом. В передней части установили лебёдку для самовытаскивания. Рулевое управление снабжено гидроусилителем. Максимальная скорость — 85 км/ч. Запас хода — 800 км. Снаряженная масса — 8440 кг, полная — 13425 кг.
На грузовики Урал-4320 первых партий ставили кузов с надколесными нишами (по типу Урал-375Д): цельнометаллический, с задним открывающимся бортом, откидными скамейками, дугами и тентом. С 1986 года устанавливается кузов с плоским полом (модификация Урал-4320-01).
Кроме этого, Урал-4320 выпускался в виде шасси для установки специализированных кузовов. В середине 90-х появился широкий бампер с фарами, а в крыльях, на старых местах крепления фар, появились пластиковые заглушки. С переходом на двигатели стандарта Евро-4 на Урал-4320 начали ставиться современные дизели серий ЯМЗ-6565 мощностью 230 л.с. (модификация Урал-4320-61) и ЯМЗ-536 мощностью 285 л.с. (модификация Урал-4320-73).
Список модификаций (*в списке представлены только модификации базового грузовика и шасси с индексом 4320, другие версии семейства 4320 ищите в общем каталоге):
Урал-4320 (1977-1986 гг.) — платформа от Урал-375Д шириной 2690 мм, капот от серии 375 с пластиковой вставкой на конце. С 1980 устанавливали новую грузовую платформу. Двигатель — КамАЗ-740.10.
Урал-4320-01 (1986-1993 гг.) — версия с новой грузовой платформой без надколесных ниш в полу кузова. Двигатель — КамАЗ-740.10.
Урал-4320-02 (1989-1993 гг.) — бортовой грузовик с двигателем КамАЗ-740.10-20 мощностью 220 л.с.
Урал-4320-10 (1993-??) — бортовой грузовик с двигателем ЯМЗ-236.
Урал-4320-31 (1994-??) — бортовой грузовик с двигателем ЯМЗ-238. Отличается удлинённым капотом, воздушным фильтром на правом крыле.
Урал-4320-30 (1994-??) — версия с двигателем ЯМЗ-238 и удлиненной колесной базой. Отличается широкопрофильными шинами ИД-П284.
Урал-4320-41 (2003-2012 г.) — бортовой грузовик с двигателем ЯМЗ-236НЕ2.
Урал-4320-40 (2003-2012 гг.) — длиннобазное шасси с двигателем ЯМЗ-236НЕ2.
Урал-4320-61 (2013-н.в.) — бортовой грузовик с дизелем ЯМЗ-65654.10 (Евро-4) мощностью 230 л.с. Грузоподъёмность 6 т.
Урал-4320-60 (2013-?? гг.) — длиннобазное шасси с дизелем ЯМЗ-65654 (Евро-4) мощностью 230 л.с., коробкой передач ЯМЗ-2361. Грузоподъёмность 10 т.
Урал-4320-62 / -63 — шасси с дизелем ЯМЗ-65652.10 мощностью 270 л.с.
Урал-4320-71 (2014-?? гг.) — с дизелем ЯМЗ-65654.10 (Евро-4) мощностью 240 л.с.
Урал-4320-72 (2014-?? гг.) — длиннобазное шасси с рядным дизелем ЯМЗ-65654.10 (Евро-4) мощностью 240 л.с., коробкой передач ЯМЗ-1105. Грузоподъёмность 10,5 т.
Урал-4320-73 (2014-н.в.) — с дизелем ЯМЗ-53642.10 (Евро-4) мощностью 240 л.с., коробкой передач ЯМЗ-1105. Грузоподъёмность 6,5 т.