Первый автобус ЗИС-154 был собран 8 декабря 1946 года. Он стал первым в нашей стране автобусом с дизель-электрической трансмиссией. Машины (поначалу) комплектовались дизелем ОМС-4-71, спаренным с генератором постоянного тока, а тяговый электродвигатель через карданный вал передавал крутящий момент на ведущий мост.
Автобус ЗИС-154 изготавливали цельнометаллическим с несущим кузовом вагонного типа. Он имел с правой стороны входную дверь в переднем свесе и выходную — перед задним колесом, пневмопривод дверей. Унифицированный по многим позициям кузов имели троллейбус МТБ-82 и трамвай МТВ-82. Длина автобуса — 9500 мм, ширина — 2500 мм, высота — 2940 мм, база — 5460 мм, колея передних/задних колёс — 2070/1812 мм, клиренс — 160 мм. Силовой агрегат располагался сзади. Максимальная мощность в 112 л.с. двухтактного дизельного двигателя ЯАЗ-204Д с электротрансмиссией позволяла развивать скорость до 65 км/ч. Полная масса машины — около 12 т. Максимальная вместимость — 60 пассажиров, мест для сиденья — 34, регулируемое по трём направлениям водительское сиденье.
Выпускался до 1950 г. Всего было изготовлено 1165 экземпляров.
Дизель оказался недоработанным и стал объектом серьёзных нареканий, что привело к сравнительно быстрому снятию автобуса с производства в 1950 году, причём последнюю партию автобусов вынужденно оснастили дефорсированными до 105 л.с. карбюраторными моторами ЗИС-110. Часть уцелевших в автобусных парках ЗИС-154 в конце 1950-х годов получила модернизированные двигатели ЯАЗ-204 и ЯАЗ-206, с которыми машины доработали на маршрутах до конца 1960-х годов.
По состоянию на январь 2015 года имеется единственный восстановленный рабочий ЗИС-154 в музейной коллекции ГУП «Мосгортранс».