В марте 1981 года с конвейера завода сошёл 10-миллионный автомобиль ГАЗ.

В 1980-е годы, руководствуясь правительственной программой дизелизации, ГАЗ начинает работу над грузовиком четвёртого 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 произошёл уже в 1993 году.

На фоне этого долгостроя и в производстве легковых автомобилей наметился определённый застой. Появившаяся в 1981 году «новая Волга» ГАЗ-3102 с двигателем с форкамерно-факельным зажиганием и передними дисковыми тормозами, не стала принципиальной новинкой, а лишь глубоким рестайлингом «24-ки». К тому же объёмы её производства были ограничены несколькими тысячами в год. В результате престижная «31-я» модель «Волги» заняла нишу между обычной «Волгой» и «Чайкой» и, как и последняя, предназначалась исключительно для обслуживания руководства важных государственных учреждений. В то же время ГАЗ-24, модернизированный в 1985 году и получивший индекс ГАЗ-24-10, продолжал поступать в таксопарки и в ограниченном количестве продаваться частным владельцам (преимущественно через сеть чековых магазинов «Берёзка»). Только 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. Предназначенные для массового производства седаны ГАЗ-3103 (передний привод) и ГАЗ-3104 (полный привод) из-за кризиса в 1990-х так и не стали серийными.

В 1989 году на волне перестройки на заводе начались инициативные работы по созданию малотоннажного грузовика полной массой до 3,5 тонн. Благодаря системе конструирования САПР и ускоренной процедуре испытаний будущее семейство «ГАЗель» встало на конвейер в рекордно короткие сроки — ещё в первой половине 1990-х.

С конца 1989 года на конвейер встал переходный от третьего к четвёртому поколению грузовик ГАЗ-3307.