1 мая 1929 года Высший совет народного хозяйства (ВСНХ) СССР и американская фирма Ford Motor Company заключили соглашение о технической помощи по организации и налаживанию массового производства легковых и грузовых автомобилей. Основой производственной программы были выбраны модели Ford A и Ford АА. Завод проектировался американским архитектурным бюро Альберта Кана, строительство вел трест Металлострой. Завод вступил в строй 1 января 1932 и в этом же году с его конвейера сошел первый 1,5-тонный грузовик НАЗ АА (с 1933 года — ГАЗ АА). В декабре того же года началась сборка легкового автомобиля ГАЗ А с открытым 5-местным кузовом «фаэтон». Несмотря на то, что первые автомобили завода изготавливались по чертежам американской фирмы Ford, они уже изначально несколько отличались от американских прототипов: на ГАЗовских моделях были усилены картеры сцепления и рулевые механизмы, изменена форма радиаторов, дюймовая резьба была заменена на метрическую. Сочетая фордовские патенты с поиском и внедрением собственных решений, конструкторы ГАЗа создали обширное семейство оригинальных серийных моделей и модификаций на базе полуторки ГАЗ АА: в 1933 году — 17-местный автобус ГАЗ 03-30, выпускавшийся на автосборочном заводе № 1 (с 1946 — Горьковский автобусный завод (ГАЗ)) в 1934 году — 2-тонный трехосный (6×4) грузовик ГАЗ-ААА и 1,2-тонный самосвал ГАЗ 410 в 1938 году — модернизированный 50-сильный грузовик ГАЗ ММ, газогенераторный 1-тонный грузовик ГАЗ 42, полугусеничный грузовик ГАЗ 60 и санитарный автомобиль ГАЗ-55 В 1933 году на базе автомобиль ГАЗ А был создан пикап ГАЗ 4 с цельнометаллической кабиной от полуторки и металлической платформой на 500 кг груза. Выпускался на Горьковском автосборочном заводе. Кроме того, там же мелкосерийно выпускался седан ГАЗ 6. 17 апреля 1935 года, с конвейера завода сошел стотысячный автомобиль. Это был легковой автомобиль ГАЗ А. Таким образом, автомобиль ГАЗ оказался первым автомобилестроительным предприятием в стране, выпустившим 100 000 автомобилей. Горьковский автомобильный завод продолжал получать техническую поддержку от Ford Motor до 1935 года, когда действие договора было досрочно прекращено по обоюдному согласию сторон. Так в СССР получили документацию на модель Ford Model B 1933 модельного года. Она отличалась закрытым кузовом с современным обликом и четырехцилиндровым двигателем. Модель была принята для производства на ГАЗ, но с достаточно серьезными доработками по требованиям эксплуатации в СССР, например, две поперечные рессоры заменены на четыре продольные, а двигатель оставлен 4-цилиндровым, но с увеличенной до 50 л. с. мощностью. В мае 1936 года начался серийный выпуск 4-дверного 5-местного седана ГАЗ М-1 (Молотовец 1), известного как Эмка. Этот автомобиль стал самой массовой довоенной советской легковой моделью. На базе Эмки был создан ряд серийных модификаций. Перед самым началом Великой Отечественной войны на ГАЗе был создан армейский командирский полноприводный автомобиль (внедорожник) ГАЗ 64. Первый автомобиль был выпущен в августе 1941 года. В меньшей степени известно о работах на ГАЗе в области танкостроения. В 1936 году предприятие выпустило первую серию малых плавающих танков Т 38, разработанных на московском заводе № 37. Однако после сдачи 35 машин их производство было завершено, а конструкторский коллектив попытался разработать альтернативный вариант малого плавающего танка. Это завершилось созданием прототипа ТМ — Танк Молотова, который по ряду характеристик превосходил Т 38, по ряду — уступал, а в целом оба этих типа обладали крайне ограниченной боеспособностью. В результате до осени 1941 года танкостроение на ГАЗе дальнейшего развития не имело, хотя предприятие обладало огромным потенциалом по выпуску легкой колесной и гусеничной бронетехники, нужной РККА. Он оказался востребованным впоследствии. В годы Великой Отечественной войны предприятие было целиком переориентировано на выпуск военной техники для РККА.

В начальный период войны в кратчайшие сроки был освоен выпуск легкового армейского автомобиля повышенной проходимости ГАЗ 64. В октябре 1941 года завод освоил выпуск легкого танка Т 60. Тогда же началось проектирование нового легкого танка Т 70 с усиленным бронированием и вооружением, в декабре 1941 года был построен его прототип, в серию боевая машина пошла с апреля 1942 года. Впоследствии Т-70 стал вторым по численности танком РККА. Одновременно, весной 1942 года на производство встал легкий бронеавтомобиль БА 64. В 1943 году были освоены модернизированный бронеавтомобиль БА 64Б и унифицированный с ним по шасси легковой армейский автомобиль повышенной проходимости ГАЗ 67. В октябре 1942 года с конвейера стал сходить модернизированный танк Т 70М, а в декабре того же года был успешно испытан и принят на вооружение новый легкий танк Т 80 с двухместной башней. В сентябре 1943 года был освоен модернизированный легковой армейский автомобиль повышенной проходимости ГАЗ 67Б. Кроме того, ГАЗ массово выпускал двигатели, минометы и прочую продукцию военного назначения. Ведущую роль в конструировании советских автомобилей повышенной проходимости сыграл конструктор Виталий Грачев, удостоенный в 1942 году Сталинской премии за создание броневика БА 64. В годы войны завод стал одной из главных целей немецких бомбардировок в Горьком. В 1943 году налеты были наиболее массовыми, только за месяц, с 4 по 22 июня, германская авиация бомбила ГАЗ семь раз. Серьезные разрушения получили 50 корпусов и зданий. Прервалось поточное производство. 35 тысяч ремонтников, монтажников и строителей, работая по 18-19 часов в сутки, восстановили завод за 100 дней. Правительством СССР был высоко оценен труд автозаводцев в годы войны. Завод был награжден орденами Ленина, Красного Знамени и Отечественной войны I степени. По окончании Великой Отечественной войны на заводе ГАЗ была проведена работа по замене всего довоенного модельного ряда, разработка которого была начата частично до войны и активно возобновилась в 1943-1945 годах. Уже в первом послевоенном 1946 году в серию пошла Победа М-20 (прототип в 1944 году) и 2,5-тонный грузовик ГАЗ 51 (прототип в 1943 году). В 1947-м производство полуторки ГАЗ ММ было передано на УльЗИС. Тогда же освоен выпуск гусеничного снегоболотохода ГАЗ 47. В 1948 году освоен полноприводный грузовик ГАЗ 63, а в 1949-м создан прототип джипа ГАЗ 69 Труженик. В 1950-м с конвейера начал сходить представительский седан большого класса ЗИМ, началось серийное производство бронетранспортера БТР 40 (ГАЗ 40). В 1953-1954 годах было освоено производство джипов ГАЗ 69 и ГАЗ 69А (в 1955-1956 годах переданных на Ульяновский автомобильный завод — УАЗ), а также первого комфортабельного внедорожника с несущим кузовом М 72 на агрегатах ГАЗ 69. В 1956 году на смену Победе пришел седан среднего класса Волга ГАЗ 21, претерпевший на пути к массовому производству ряд модернизаций. В 1959-м ЗИМ сменила элегантная Чайка ГАЗ 13, продержавшаяся в производстве свыше двух десятилетий. Работам коллектива конструкторов и дизайнеров завода ГАЗ, таким как автомобиль Волга ГАЗ 21, автомобиль Чайка ГАЗ 13 и грузовик ГАЗ 52 на Всемирной выставке в Брюсселе в 1958 году была присуждена высшая награда — Гран-при. Во второй половине 1950-х ведется подготовка производства третьего поколения грузовых автомобилей, включавшего модели ГАЗ 56 (грузоподъемность 1,5 т), ГАЗ 52 (2,5 т) и ГАЗ 53 (3,5 т). Для Советской армии в 1958-м был освоен десантный 1,2-тонный грузовик ГАЗ 62 с кабиной над двигателем.В 1960-е завершилось обновление линейки грузовых автомобилей. Вставшие на конвейер ГАЗ 52 (1961), ГАЗ 53 (1961) и ГАЗ 66 (1964) образовали третье поколение грузовых автомобилей ГАЗ. С начала 1960-х на смену знаменитой «21-й» Волге велась разработка легкового автомобиля ГАЗ 24 Волга, опытно-промышленная партия которого была готова в 1968 году, а с 1970 года началось массовое производство. Автомобиль был отмечен наградами: золотыми медалями на Международных выставках в 1969 году в Пловдиве (Болгария) и в 1970 году в Лейпциге (ГДР). Производство ветерана ГАЗ 21 было свернуто в июле 1970-го, а в апреле 1975 года, с производства был снят другой ветеран — ГАЗ 51А. Последний сошедший с конвейера легендарный грузовик отправился в Музей истории ГАЗ. В 1977 году начался выпуск ГАЗ 14 автомобиль Чайка — представителя третьего поколения легковых автомобилей большого класса. Этот автомобиль славился высоким техническим уровнем и комфортом. Также в 1970-е годы была проведена реорганизация производства: 24 августа 1971 года на базе заводов-филиалов и производств головного предприятия образовано производственное объединение АвтоГАЗ. В 1973 году оно переименовано в ПО ГАЗ, в состав которого вошли 11 заводов. За успешное освоение производства новых грузовых и легковых автомобилей для народного хозяйства в 1971 году автозавод ГАЗ награжден орденом Ленина.

В эти годы начинается разработка следующего поколения грузовых автомобилей ГАЗ с прицелом на их дизелизацию, а также намечается существенная модернизация Волги. В марте 1981 года с конвейера завода сошел 10-миллионный автомобиль ГАЗ. В 1980-е годы, руководствуясь правительственной программой дизелизации, ГАЗ начинает работу над грузовиком четвертого поколения и дизельным двигателем для него. В 1984 году был собран первый грузовой автомобиль ГАЗ 4301 с дизельным двигателем воздушного охлаждения, самостоятельно разработанным специалистами автозавода. Дизелизация в 1980-х годах стала приоритетным направлением развития предприятия. Проводимая в связи с этой программой реконструкция оказалась самой значительной за всю историю завода. Строительство завода дизельных двигателей началось в 1984 году, но пуск завода автомобильных моторов ГАЗ произошел уже в 1993 году. 23 сентября 1987 с конвейера сошли первые ГАЗ 24-12 «универсал» и ГАЗ 24-13 «санитарная», изготовленные на базе ГАЗ 24-10. В конце 1980-х началась разработка принципиально нового семейства легковых автомобилей с передним и полным приводом. Первым началось проектирование представительского седана ГАЗ 3105, который впоследствии выпускался ограниченной серией. С конца 1989 года на конвейер встал переходный от третьего к четвертому поколению грузовик ГАЗ 3307. В то время проектная мощность и выпуск автомобилей превышали 300 тысяч в год, около половины из числа которых составляли легковые автомобили.