В годы Великой Отечественной войны предприятие было целиком переориентировано на выпуск военной техники.

В начальный период войны в кратчайшие сроки был освоен выпуск легкового армейского автомобиля повышенной проходимости ГАЗ-64. В октябре 1941 года завод освоил выпуск лёгкого танка Т-60, конструкция которого была усовершенствована заводчанами с целью повышения его эксплуатационных характеристик. Тогда же с учётом больших возможностей ГАЗа по сравнению с московским заводом № 37, разработчиком Т-60, началось проектирование более боеспособного варианта лёгкого танка с усиленным бронированием и вооружением. Уже в декабре был построен его прототип Т-70, а после доработки он стал вторым по численности танком Красной Армии Т-70. В серию эта боевая машина пошла с апреля 1942 года. Также той же весной на производство встал лёгкий бронеавтомобиль БА-64 на базе ГАЗ-64. В 1943 году были освоены модернизированный (с уширенной колеёй) бронеавтомобиль БА-64Б и унифицированный с ним по шасси легковой армейский автомобиль повышенной проходимости ГАЗ-67. Танковое конструкторское бюро ГАЗ под руководством Николая Александровича Астрова в течение второй половины 1942 года работало над усилением ходовой части Т-70, чтобы устранить самый главный его недостаток — одноместную башню. Так в октябре 1942 года на конвейере Т-70 был сменён своей модификацией Т-70М, а в декабре того же года был успешно испытан и принят на вооружение лёгкий танк Т-80 с двухместной башней. Поскольку очень велика была потребность Красной Армии в самоходной артиллерии, в производство на ГАЗе была запущена лёгкая самоходно-артиллерийская установка (САУ) СУ-76(СУ-12). Поскольку переход на изготовление лёгкого танка Т-80 мог повлечь за собой снижение числа отгружаемых армии Т-70М и СУ-76, его выпуск решили организовать в Мытищах на заводе № 40, а горьковчане построили пять опытных и предсерийных машин этого типа. В 1943 году работы танкового КБ были сосредоточены на совершенствовании САУ СУ-76, поскольку её изначальный вариант обладал тяжёлым дефектом моторно-трансмиссионной группы. Эти усилия увенчались успехом, усовершенствованная модель самоходки (СУ-15, а позже СУ-76М второй версии) была избавлена от этого недостатка. Также конструкторы ГАЗа разработали несколько опытных образцов колёсной и гусеничной бронетехники, которые не пошли в серию по различным причинам, например, САУ КСП-76, ГАЗ-74 и т. д. В тот же период был освоен модернизированный легковой армейский автомобиль повышенной проходимости ГАЗ-67Б, выпускавшийся и в послевоенное время. Кроме того, ГАЗ массово выпускал двигатели, миномёты и прочую продукцию военного назначения. Ведущую роль в конструировании советских автомобилей повышенной проходимости сыграл конструктор Виталий Андреевич Грачёв^{[источник не указан 1808 дней]}, удостоенный за создание броневика БА-64 Сталинской премии за 1942 год.

За годы Великой Отечественной войны было выпущено:

· автомобилей — 176 221 шт. (включая сборку из ленд-лизовских комплектов грузовиков Ford G8T и Chevrolet G7107);

В 1943 году только за месяц, с 4 по 22 июня, германская авиация бомбила ГАЗ семь раз. Серьёзные разрушения получили 50 корпусов и зданий. Прервалось поточное производство. 35 тыс. ремонтников, монтажников и строителей, работая по 18—19 часов в сутки, восстановили завод за 100 дней. Однако пришлось отказаться от выпуска технологически сложного трёхосного грузовика ГАЗ-ААА, на некоторое время было остановлено производство и прочей автомобильной техники и броневиков БА-64. Однако изготовление и сдача войскам лёгкого танка Т-70 не прекращались ни на день, хотя майские показатели заводчанам удалось перекрыть только в октябре 1943 года. Выдающимися конструкторами — новаторами в создании боевой техники показали себя А. А. Липгарт, Н. А. Астров, В. А. Дедков, В. А. Грачёв, А. М. Кригер, Л. В. Костин, Ю. Н. Сыров, В. К. Рубцов.

Правительством СССР был высоко оценён труд автозаводцев в годы войны. Завод был награждён орденами Ленина, Красного Знамени и Отечественной войны I степени. ГАЗ-21 Чайка-14