В 1954 году началась работа по комплексной модернизации базового ЗИС-150. Опытный ЗИС-150В получил новую облицовку радиатора (как у будущего ЗИЛ-164), иные боковины капота с вертикальными вентиляционными прорезями, изогнутый передний буфер с накладными площадками-брызговиками, алюминиевую головку блока цилиндров двигателя, распределительный вал с изменёнными фазами газораспределения, карбюратор К-82, воздушный фильтр ВМ-12, стальные свёртные трубки бензопроводов, новый радиатор с большей поверхностью охлаждения, шестилопастный вентилятор, улучшенный ведомый диск сцепления, компрессор повышенной производительности, тормозной кран прицепа, два ресивера по 20 л, отопитель, усиленную подвеску кабины, переднюю подвеску с заделкой концов рессор в резиновые подушки и передними рычажными гидравлическими амортизаторами, а также новый приборный щиток КП5-Е и другие нововведения.
Упомянутые узлы и детали после апробирования на опытной модели нашли применение на серийных ЗИЛ-150 и ЗИЛ-164.
Первые три образца ЗИС-150В были изготовлены в ноябре 1954 года.