Первый опытный экземпляр Урал-377 был построен в 1961 году. Несмотря на успешное окончание государственных испытаний и запуск автомобиля в серийное производства, он имел ряд неустранимых недостатков, связанных с необходимостью унификации с полноприводным Урал-375Д.
Итогом работ по устранению этих недостатков стало создание в 1966-67 году усовершенствованной модели Урал-377М с увеличенной до 4620мм (против прежних 4200мм) колесной базой и увеличенной с 4500 до 4850мм платформой. Был проведен ряд работ по снижению веса узлов и агрегатов грузовика (вплоть до применения более легких шин ОИ-П46 размерности 1100х400-533) и одновременное повышение его грузоподъемности до 8 тонн.
Кроме того, с целью уменьшения погрузочной высоты грузовой платформы было принято решение отказаться от запасного колеса под платформой (в результате погрузочная высота уменьшилась до 1420мм), тем более что шины были бескамерные и большой нужды в запаске не было. Вместе с тем на задней тележке (с межосевым дифференциалом) оставили централизованную подкачку шин.
Таким образом, при повреждении одного из передних колес его можно было поменять местами с задним и продолжить движение. Была оставлена односкатная ошиновка с целью сохранения проходимости по плохим дорогам на приемлемом уровне. В результате проведенных мероприятий по оптимизации конструкции снаряженная масса машины была снижена с 7275 кг до 6635 кг. С целью снижения расхода топлива были изменены передаточные числа в трансмиссии, увеличено число передач, проведен ряд других мероприятий.
На заводские испытания автомобиль отправился в конце 1966 года, а межведомственные испытания проходили в период с мая по ноябрь 1967 года. Проведенные испытания выявили ряд слабых мест автомобиля при устранении которых запуска машины серию был бы целесообразен. В декабре 1967 года для проведения износо-прочностных испытаний в объеме 150 тыс. километров были изготовлены еще два автомобиля Урал-377М. В декабре 1969 года был успешно окончен и этот этап испытаний, однако в дальнейшем работы по модели были свернуты, поскольку аналогичные по классу автомобили готовились к производству на КамАЗе.
В декабре 1968 года в экспериментальном цехе были изготовлены еще два опытных образца Урал-377М. На одном из них балансирная задняя тележка была переоборудована под двускатную ошиновку, а на переднем мосту было опробовано бездисковое крепление колес. Были проведены различные испытания этого автомобиля на проходимость, определялись средние показатели расхода топлива и тягового усилия на крюке. Дальнейшего развития эти работы не получили ввиду снижения уровня проходимости автомобиля с двускатной ошиновкой. Автомобиль был переоборудован под шины О-47А для проведения прочностных и других типов испытаний его конструкции.
Отдельно следует упомянуть о модели Урал-377М образца 1968 года со стеклопластиковым оперением, радикально поменявшим утилитарный армейский облик. Учитывая народнохозяйственную направленность этой модели, кабина имела заметный «гражданский» уклон. Примечательно, что новая облицовка радиатора и оперение были выполнены из стеклопластика.
В ходе испытаний, проводившихся с весны по июнь 1968 года, новая кабина получила ряд замечаний, а после 5.000 км пробега на пластиковых элементах появились трещины в местах их крепления к деталям шасси и кабины. В серию этот вариант тоже не пошел ввиду недоработанности конструкции, работы над которой так и не были закончены, поскольку начались работы над новыми перспективными полноприводными грузовиками Урал-379, Урал-395 и все силы УКЭР были задействованы именно в этом направлении.