В 1977 году автозавод начал выпуск новой модели Урал-4320, главным отличием которой от 375Д стал более экономичный дизельный двигатель КамАЗ-740.10 рабочим объемом 10,852 см3 и мощностью 210 л.с. Он также получил усиленную трансмиссию, модернизированные агрегаты шасси, лебедку стяговым усилием 9 тс и 24-вольтовое электрооборудование.
На базе Урал-4320 выпускалось невероятное множество самых разных военных модификаций. Базовыми являлись многоцелевые бортовые грузовики 4320 и 4320-01 с кабиной с наблюдательным люком в крыше и тентованным кузовом, служившие для доставки личного состава и грузов, буксировки артиллерийских систем и установки ряда надстроек, оборудования и вооружения.
Шасси использовали для установки унифицированных КУНГов КЦ-4320 с различным оснащением и изотермических фургонов АФИ-5,пищевых блоков КСА-200, топливо- и маслозаправщиков, инженерных кузовов и т. д.
К другим особым военным версиям относится машина технической помощи МТП-А1 с лебедкой, гидрокраном, набором специального инструмента, заправочных жидкостей и эвакуатор КТ-ЛМ с локальной бронезащитой кабины и элементов шасси.
Что касается боевых машин, то на шасси Урал-4320 изготавливали модернизированную систему залпового огня БМ-21-1 «Град» с дальностью стрельбы 40 км, опытную 50-зарядную пусковую установку 9К59 «Прима» (1988 г.), а также 40-зарядную систему БМ-21ПД «Дамба» (ДП-62) для охраны военно-морских баз, сооружений и морских границ от диверсионных сил и средств противника, позволяя уничтожать их на расстоянии до 5 км и на глубине 200 м.
К военным версиям также относились длиннобазные 10-тонные модели Урал-4320-0911/0919-30 и 12-тонные Урал-4320-1911/1912-10/30 с расстоянием между передней и центральной осью 4555 мм.
Урал-43205 — вариант базового бортового грузовика Урал-4320 с двигателем Урал-744 воздушного охлаждения. 4-тактный 8-цилиндровый V-образный дизель сделали по лицензии компании Deutz. Рабочий объем — 11,31 литра. Мощность — 172 кВт (234 л.с.) при 2650 об/мин. Крутящий момент — 694 Нм при 1300-1600 об/мин. Максимальная скорость — 85 км/ч. Расход топлива — около 45 литров на 100 км.
Два опытных образца Урал-43205 с двигателем воздушного охлаждения проходили ресурсные и доводочные испытания с 1986 по 1989 гг. Мелкосерийный выпуск начался в 1992 году. По некоторым данным в 1993 году выпущено 79 экземпляров, в 1994 году — 2.
В 1995 году Урал начал выпуск двухосных полноприводных грузовиков Урал-43206, которые были созданы на базе 3-осного Урал-4320. Двухосные грузовики получили распространение в качестве транспортных общего назначения с тентованными бортовыми платформами, а шасси стало базой для установки радиостанций, военных цистерн, санитарных фургонов и прочего специализированного оборудования.