Эта самоходная установка стала последней оригинальной разработкой «Уралмашзавода» в годы Великой Отечественной войны. Созданная как ответ на выявленные недостатки СУ-100, СУ-101 представляла собой радикальную перекомпоновку классической схемы с переносом боевого отделения в корму. За этой машиной стояла отчаянная попытка решить фундаментальную проблему советского самоходостроения — ограничения, накладываемые базой Т-34
К середине 1944 года стало очевидно, что потенциал компоновки СУ-100, унаследованной от СУ-85 и СУ-122, близок к пределу. Длинноствольная 100-мм пушка Д-10С с длиной ствола 56 калибров создавала чрезмерный вылет вперёд — более двух метров от лобового листа корпуса. Это ухудшало проходимость машины на пересечённой местности, увеличивало риск повреждения ствола при движении и резко перегружало передние опорные катки шасси Т-34. Кроме того, лобовая броня СУ-100 толщиной 75 мм уже не гарантировала защиты от новых немецких 88-мм противотанковых орудий.
Конструкторская группа под руководством Л.И. Горлицкого предложила смелое решение: развернуть машину «задом наперёд». Моторно-трансмиссионное отделение переместилось в носовую часть, а 100-мм пушка Д-10С оказалась в кормовой рубке. Такая компоновка давала немедленные преимущества — длина машины сократилась до 6,1 метра, исчез опасный вылет ствола вперёд, улучшилось распределение массы по опорным каткам.
Силовая установка осталась прежней — дизель В-2-34 мощностью около 500 л.с., однако из-за новой компоновки пришлось полностью переработать трансмиссию, систему воздухозабора и охлаждения. Радиаторы и вентиляторы размещались непосредственно за лобовым бронелистом, что резко усложняло организацию потоков охлаждающего воздуха.
Бронирование СУ-101 стало эталонным для средних самоходок. Лоб рубки толщиной 120 мм под углом 55° был практически неуязвим для немецких 75-мм пушек, а рациональные углы наклона бортовых листов довершали картину защищённости. Корпус сохранял базовую геометрию шасси Т-34 с пятью опорными катками на борт и индивидуальной пружинной подвеской типа «Кристи», но толщина броневых листов была существенно увеличена.
При этом масса машины достигала примерно 35 тонн — почти на три тонны больше, чем у СУ-100. Испытания обстрелом показали превосходство корпуса СУ-101 над даже тяжёлыми ИС-2 и ИСУ-152. В частности, при стрельбе трофейными 88-мм снарядами Pak 43 лобовая броня рубки демонстрировала высокую стойкость благодаря сочетанию толщины и угла наклона.
Однако за техническим совершенством скрывались серьёзные эксплуатационные проблемы. Механик-водитель, оказавшийся в одном отсеке с двигателем, работал в невыносимых условиях — температура достигала критических значений даже после многочисленных доработок системы охлаждения.
Из-за расположения двигателя непосредственно за лобовым листом корпуса температура в отделении управления могла превышать 50–60 °C. Шум и вибрации дизеля также серьёзно ухудшали условия работы водителя. Теснота боевого отделения усугубилась по сравнению с СУ-100, а ударная волна при выстреле буквально била по передней части корпуса. Это объяснялось тем, что энергия отката и давление пороховых газов передавались через корпус на переднюю часть машины, где находился двигатель и рабочее место водителя.
Летом 1945 года, когда СУ-101 и её 122-мм вариант СУ-102 готовились к полигонным испытаниям, геополитическая ситуация изменилась. СУ-102 отличалась установкой 122-мм пушки Д-25С — той же системы, что применялась на ИС-2 и ИСУ-122. Однако более тяжёлое орудие ещё сильнее ухудшало условия работы экипажа и снижало скорострельность до примерно 2 выстрелов в минуту.
Окончание войны, сокращение армии и наличие тысяч выпущенных СУ-100 сделали запуск в серию новой машины нецелесообразным. Решающим фактором стало появление танка Т-54 с аналогичной 100-мм пушкой, но более сбалансированной конструкции. Т-54 сочетал мощную броню, вращающуюся башню и ту же пушку Д-10Т, что делало специализированную самоходку на базе устаревающего шасси Т-34 менее актуальной.
СУ-101 осталась в истории как блестящее инженерное решение, опередившее своё время, но оказавшееся невостребованным. Её компоновка с кормовым расположением боевого отделения позже нашла применение в послевоенных разработках, включая знаменитые ИСУ-152К и Объект 268. Идея переноса боевого отделения назад рассматривалась советскими конструкторами и в более поздних проектах тяжёлых истребителей танков, в которых она позволяла уменьшить силуэт машины и улучшить балансировку длинноствольных орудий