На магистральных перевозках по дорогам с твердым покрытием автомобили КамАЗ-5410 явно не добирали своей грузоподъемности, поэтому встал вопрос о повышении эксплуатационных характеристик некоторых модификаций. Считалось, что машины КамАЗ с повышенными с осевыми нагрузками до 8 т относятся к третьему семейству камских грузовиков — для этого семейства ЗИЛ проектировал лишь одну модель, КамАЗ-54102.
В рамках этой работы в декабре 1972 г. был построен первый опытный образец седельного тягача КамАЗ-54102 с десятицилиндровым двигателем ЯМЗ-741 мощностью 260 л.с., пятиступенчатой коробкой передач, раздельной тормозной системой и вспомогательным (моторным) тормозом, ведущими мостами увеличенной размерности из-за роста нагрузки.
КамАЗ-54102 отличался повышенной нагрузкой на седельно-сцепное устройство (ССУ), поэтому он мог буксировать более тяжелые полуприцепы полной массой до 25 т и грузоподъемностью до 19,5 т. При этом новые седельные тягачи на 95% были унифицированы с седельными тягачами КамАЗ-5410, и внешне друг от друга их мог отличить далеко не каждый специалист.
Следующие два опытных образца — КамАЗ-2Э54102 и КамАЗ-3Э54102 — построили в 1973 и 1974 гг. соответственно. Все эти машины предназначались для проведения заводских испытаний и устранения выявленных недостатков. Для межведомственных испытаний в декабре 1975 г. были собраны два новых доработанных опытных образца КамАЗ-54102. Они же позже проходили эксплуатационные испытания в автохозяйстве ГАТП-1 в Люберцах.
После всесторонних испытаний КамАЗ-54102 рекомендовали к серийному выпуску с минимальным набором замечаний. Было высказано пожелание — для увеличения плавности хода машины убрать у передних рессор один лист и провести краткие повторные испытания автомобиля с 15-листовой передней подвеской.
Всего на Московском автозаводе было построено пять опытных образцов седельных тягачей КамАЗ-54102. В серию машины с повышенной нагрузкой на ССУ пошли в 1980 г. под индексом КамАЗ-54112, так как в отличие от прототипов на них ставились восьмицилиндровые двигатели КамАЗ-740 (210 л.с.). Производство десятицилиндровых моторов КамАЗ так и не было налажено.