В 1954-ом году началось строительство опытных образцов ГАЗ-21. Они оснащались экспериментальным верхнеклапанным двигателем с полусферической камерой сгорания и цепным приводом распредвала (он проявил себя неважно и в серийное производство не пошел). Для нового автомобиля были разработаны две коробки передач - автоматическая и механическая. Обе были трехступенчатыми. Главная передача сначала была не гипоидной, как на моделях, выпущенных после 1957 года, а конусной. У автомобиля была независимая передняя подвеска с рычажными гидравлическими амортизаторами. Задняя - независимая на продольных полуэллиптических рессорах. Шины 6,70-15. С капота автомобиля взмывал хромированный олень. От него по центру капота к лобовому стеклу шел широкий молдинг. Облицовка радиатора с 10 вертикальными отверстиями (Один из трёх прототипов имел решётку с 12тью отверстиями). Задние фонари включали в себя габаритные огни, тормозные и указатели поворота - три в одном красном рассеивателе и фонарь заднего хода в стальном хромированном окладе. "Волги" стали оснащать трехдиапазонным радиоприемником.

3 мая 1955 года начались государственные испытания трех образцов "Волги".

Автомобили были оснащены централизованной системой смазки (ЦСС). При нажатии на специальную педаль жидкое масло поступало из бачка по маслопроводам к 19 точкам смазки передней подвески и в шарниры рулевых тяг. От использования системы отказались в 1959 году в пользу традиционных резиновых втулок и пресс-масленок.