ГАЗ-66, поступивший на вооружение Советской армии в 1964 году, на протяжении двух десятилетий оставался эталоном армейского вездехода. Его компоновка, агрегатная унификация и относительная простота конструкции обеспечили машине репутацию надёжного транспортного средства, способного работать в условиях бездорожья. Однако к началу 1980-х годов стало очевидно, что потенциал этой модели исчерпан
Афганская война обнажила критические недостатки ГАЗ-66, которые в условиях мирного времени считались допустимыми. Отсутствие броневой защиты кабины делало экипаж уязвимым для стрелкового оружия и осколков. Брезентовый тент не обеспечивал ни безопасности, ни терморегуляции. Эргономика рабочего места водителя — расположение рычага переключения передач, высокий уровень шума от двигателя, размещённого между сиденьями, ограниченное внутреннее пространство — создавала повышенную физическую нагрузку на экипаж. Грузоподъёмность машины перестала соответствовать возросшим требованиям войск.
В 1982 году Министерство обороны сформулировало тактико-технические требования к новому армейскому грузовику, призванному заменить ГАЗ-66. Задание, выданное Горьковскому автомобильному заводу, содержало трудносовместимые условия: машина должна была обладать броневой защитой, повышенной грузоподъёмностью и при этом производиться на существующем оборудовании без значительной модернизации конвейера. Финансирование разработки с нуля не предусматривалось.
В ответ на этот вызов инженеры ГАЗа создали прототип ГАЗ-3301. При сохранении внешней компоновки предшественника машина получила принципиально новую силовую установку — дизельный двигатель ГАЗ-542 рабочим объёмом 6,2 литра и мощностью 125 лошадиных сил. Грузоподъёмность была увеличена до 2,5 тонн. В конструкцию кабины интегрировали броневые листы, что повысило защиту экипажа от пуль стрелкового оружия. При этом удалось удержать увеличение массы в пределах 700 килограммов относительно базовой модели, а унификация с узлами ГАЗ-66 обеспечила ремонтопригодность в полевых условиях. Государственная комиссия признала прототип соответствующим требованиям и рекомендовала подготовку к серийному производству.
Однако в ходе дальнейшего согласования с представителями родов войск выявились неустранимые противоречия. Противопульная броня, заложенная в проект, не обеспечивала защиты от мин и фугасов, которые стали основным средством поражения на афганских дорогах. Компоновка капотного грузовика с расположением экипажа над передней осью делала невозможным эффективное противоминное усиление. Кроме того, военные высказали претензии к дизельному двигателю, указывая на сложности с запуском в условиях низких температур и предпочитая бензиновый турбированный мотор, серийное производство которого в СССР отсутствовало.
Решающим фактором, повлиявшим на судьбу проекта, стали результаты зимних полигонных испытаний. ГАЗ-3301 продемонстрировал неудовлетворительную проходимость по глубокому снежному покрову. Увеличенная масса и изменившаяся развесовка привели к повышенному давлению на грунт, в результате чего машина регулярно зарывалась в сугробы и теряла подвижность. Показательно, что эвакуацию застрявшего прототипа осуществлял серийный ГАЗ-66, обладавший меньшей массой и лучшей приспособленностью к снежной целине.
Попытка адаптировать ГАЗ-3301 для гражданского применения также не увенчалась успехом. Снятие брони и упрощение конструкции позволили получить технически совершенный грузовик с дизельным двигателем и улучшенной кабиной, однако его стоимость оказалась на 40 процентов выше, чем у ГАЗ-66, продолжавшего выпускаться. Для сельскохозяйственных и строительных организаций разница в цене оказалась неприемлемой при сопоставимых эксплуатационных характеристиках.
Окончательное прекращение работ по проекту связано с изменением военно-политической обстановки во второй половине 1980-х годов. Сокращение военных расходов в период перестройки, вывод войск из Афганистана и переориентация государственной политики на мирные программы сделали невозможным финансирование запуска в производство новой модели. Проект ГАЗ-3301 был закрыт, серийное производство так и не началось.
В настоящее время ГАЗ-3301 остаётся в истории отечественного автомобилестроения как пример инженерного решения, оказавшегося неудачным в силу совокупности факторов: противоречивых требований заказчика, изменившихся условий боевого применения, природно-климатических ограничений и экономической нецелесообразности. При этом технические решения, реализованные в прототипе, в частности дизельная силовая установка и компоновочные улучшения, впоследствии нашли применение в других разработках Горьковского автозавода.