В 1973 году разрабатываются макеты капотных грузовиков ЗиЛ-169, а уже в 1974-м появляется первый прототип грузовика ЗиЛ-169Г, очень напоминающий американские грузовики того времени: с большим капотом и маленькой кабиной
В апреле 1976 года на выставке, устроенной заводом в честь визита высшего руководства страны во главе с Леонидом Брежневым, состоялся показ экспериментальных машин. Все они были оснащены перспективным дизельным силовым агрегатом ЗиЛ-Э645 мощностью 180 л.с.
В 1984 году на выставке, посвященной 60-летию отечественного автопрома, появляется ЗиЛ-4331. Это все тот же ЗИЛ-169Г только слегка видоизмененный
Автомобиль переименовали в соответствии с введенной отраслевой нормалью на обозначения автомобильного подвижного состав
Проектные работы были завершены к 1985 году, а на конвейер автомобиль встал только в 1987 году, при этом ЗИЛ-130 тоже остался в производственной гамме предприятия
В серийное производство машина была запущена со старым бензиновым восьмицилиндровым мотором ЗИЛ-508 (6,0 литра, 150 л.с.), а дизелями оснащалась только небольшая часть машин.
В девяностых годах на ЗИЛ-4331 пробовали ставить дизели ММЗ-Д-245 и Caterpillar, но дальнейшего развития эти проекты не получили
Модель ЗИЛ-4331 выпускалась в различных исполнениях: «голое» шасси, бортовой грузовик, были варианты кабины со спальным местом, машины с удлинённой рамой, седельные тягачи
В двухтысячных годах объём производства грузовиков на ЗИЛе упал до минимума, а в 2014 году завод окончательно прекратил выпуск машин
За все время сборки был выпущен 1 600 931 автомобиль серии ЗИЛ-4331ИЛ-4331