Модель была создана на основе своего предшественника — ЗИС-150 (с 1956 года — ЗИЛ-150) — через глубокую модернизацию отдельных компонентов и агрегатов. В послевоенное время Советский Союз остро нуждался в надёжной технике для восстановления экономики.
Основные предпосылки для разработки ЗИЛ-164: Устаревшая модель ЗИС-150 обладала рядом конструктивных недостатков, особенно в ходовой части и трансмиссии.

Ключевые изменения при модернизации:
Двигатель: алюминиевая головка блока цилиндров вместо чугунной, увеличенная степень сжатия (с 6,0 до 6,2), новый масляный картер, герметизированный топливный насос.
Подвеска и ходовая часть: усиленные лонжероны рамы, изменённые места крепления передней рессорной подвески и буксирных крюков.
Кабина: утеплённый корпус, устранение провесов дверей и щелей, установка отопителя с дополнительным радиатором и вентилятором.
Внешний вид: вместо горизонтальной решётки радиатора с жалюзи появилась вертикальная.

С конца 1961 года на заводе стартовал выпуск обновлённой версии ЗИЛ-164А, в конструкцию которой интегрировали узлы от перспективной модели ЗИЛ-130: однодисковое сцепление, усовершенствованную коробку передач, ручной тормоз, карданные валы, телескопические амортизаторы и комбинированный тормозной кран. Внешне ЗИЛ-164А отличался от базовой версии расположением жалюзи на боковинах капота — если у ранней модификации они были горизонтальными, то у модернизированной стали вертикальными. К началу 1960-х годов ЗИЛ-164 и его модификации уже значительно устарели, и в 1965 году производство автомобилей серии 164 было полностью прекращено.

Технические характеристики:
Двигатель:
- Тип: карбюраторный, четырёхтактный, шестицилиндровый, с рядным расположением цилиндров.
- Рабочий объём: 5555 см³.
- Мощность: 100 л. с. (73,5 кВт) при 2800 об/мин.
- Крутящий момент: 324 Н·м при 1200 об/мин.
- Степень сжатия: 6,2.
- Рекомендованное топливо: А-72.
- Система питания: карбюратор МКЗ-К-82 с пневматическим регулятором оборотов.
Трансмиссия:
- Тип: механическая, пятиступенчатая.
Массогабаритные параметры:
- Длина: 6700 мм.
- Ширина: 2470 мм.
- Высота: 2180 мм.
- Клиренс: 265 мм.
- Колёсная база: 4000 мм.
- Колея: передняя — 1700 мм, задняя — 1740 мм.
- Снаряжённая масса: 4100 кг.
- Полная масса: 8250 кг.

Грузоподъемность: по асфальтобетонным дорогам — 4000 кг; по грунтовым — 3500 кг. Максимальная скорость: 75 км/ч. Расход топлива: 27 л на 100 км при скорости 40 км/ч. Объем топливных баков: 150 л. Подвеска: передняя — рессорная, с амортизаторами; задняя — рессорная. Размер шин: 260-20. Главная передача: двойная, передаточное число — 7,63. Кабина: цельнометаллическая, трехместная. Кузов: деревянная платформа с тремя откидными бортами.

На основе базовых моделей ЗИЛ-164 и ЗИЛ-164А создавались различные специализированные версии грузовиков:
- ЗИЛ-164Р — бортовой автомобиль, предназначенный для эксплуатации с прицепом.
- ЗИЛ-164Д — бортовой грузовик, оснащённый экранированным электрооборудованием.
- ЗИЛ-164Г — шасси, использовавшееся для установки самосвального кузова.
- ЗИЛ-ММЗ-164Н — седельный тягач.
- ЗИЛ-164А — модернизированная версия, получившая новые агрегаты от модели ЗИЛ-130.
Также выпускались газобаллонные модификации:
- ЗИЛ-166 и ЗИЛ-166А — автомобили, способные работать как на сжатом газе, так и на бензине.

