В ноябре опытные экземпляры штурмовых САУ СУ-12 (завода № 38) и ГАЗ-71 Горьковского автозавода вышли на испытания. Компоновка машин в целом соответствовала предложенной спецбюро НКТП ещё летом 1942 года — два параллельно расположенных спаренных двигателя в передней части машины и боевое отделение в корме. Однако имелись и некоторые нюансы. Так, на СУ-12 моторы стояли по бортам машины, а механик-водитель размещался между ними. На ГАЗ-71 оба двигателя сместили к правому борту, посадив водителя ближе к левому. Кроме того, горьковчане разместили ведущие колёса сзади, к ним через всю машину был протянут длинный карданный вал, что существенно снизило надёжность трансмиссии. Результат такого решения не заставил себя ждать — 19 ноября 1942 года комиссия, проводившая испытания, отвергла образец автозавода и рекомендовала к принятию на вооружение СУ-12 завода № 38 с учётом устранения выявленных в ходе испытаний недостатков. Впрочем, дальнейшие события развивались по широко распространённому в годы войны печальному сценарию.
2 декабря 1942 года ГКО принял решение о развёртывании серийного производства СУ-12 и уже к 1 января 1943 года первая партия из 25 машин СУ-76 (такое армейское обозначение получила САУ) была направлена в только что сформированный учебный центр самоходной артиллерии. Всё бы ничего, но государственные испытания новой машины начались только 9 декабря 1942 года, то есть уже после начала серийного производства. Госкомиссия рекомендовала САУ к принятию на вооружение, но опять-таки после устранения недостатков, что уже мало кого интересовало. За недоработанность конструкции боевой машины, как это было не раз, своей кровью расплачивались самоходчики.
Уже спустя 10 дней войсковой эксплуатации большинство СУ-76 вышли из строя из-за поломок коробок передач и главных валов. Попытка поправить положение за счёт усиления валов ни к чему не привела. Более того, такие машины выходили из строя даже чаще. Стало очевидно, что трансмиссия СУ-76 имеет принципиальный конструктивный порок, которым была параллельная установка двух спаренных двигателей, работавших на общий вал. Такая схема трансмиссии приводила к возникновению на валах резонансных крутильных колебаний. Причём максимальное значение резонансной частоты приходилось на наиболее напряжённый режим работы двигателей (движение на 2-й передаче по бездорожью), что и приводило к их быстрому выходу из строя. Ликвидация этого дефекта требовала времени, поэтому 21 марта 1943 года производство СУ-76 было приостановлено.
В ходе последовавшего «разбора полётов» комиссией под председательством И.М. Зальцмана главным виновником был обозначен начальник ОГК НКТП С.А. Гинзбург, которого отстранили от должности и отправили на фронт начальником ремонтной службы одного из танковых корпусов. Забегая вперед, скажем, что Сталин, узнав об этом, не одобрил такого решения и приказал отозвать талантливого конструктора с фронта, но было поздно — Гинзбург погиб.
Однако ещё до отправки на фронт Гинзбург предложил решение, позволившее в значительной степени разрешить проблему. Между двигателями и коробками передач были установлены две упругие муфты, а между двумя главными передачами на общем валу — фрикционная проскальзывающая муфта. Благодаря такому решению удалось снизить аварийность боевых машин до приемлемого уровня. Такие самоходки, получившие заводской индекс СУ-12М, пошли в серию в мае 1943 года, когда возобновилось производство СУ-76.
Своё боевое крещение СУ-76 получили в феврале 1943 года в ходе боёв в районе Смердыни (Волховский фронт). В этих боях принимали участие два самоходно-артиллерийских полка — 1433-й и 1434-й. Эти полки имели смешанный состав, на вооружении четырёх батарей полка состояли СУ-76 (всего 17 единиц, включая машину командира полка), а двух — СУ-122 (8 единиц). Однако такая организация себя не оправдала, и, начиная с апреля 1943 года, самоходно-артиллерийские полки перешли на новую организацию. Теперь полки комплектовались однотипными боевыми машинами — в полку СУ-76 имелась 21 САУ и 225 человек личного состава.
Надо сказать, что СУ-76 не пользовались особой популярностью у солдат. Помимо постоянных поломок трансмиссии сказывались и другие недостатки компоновки и конструкции. Сидя между двумя моторами, механик-водитель угорал от жары даже зимой и глох от шума двух несинхронно работавших коробок передач, управлять которыми одной кулисой было довольно трудно. Трудно было и членам экипажа в закрытой броневой рубке, так как СУ-76 не имела вытяжной вентиляции боевого отделения. Этот недостаток особенно сильно проявился жарким летом 1943 года. Намучившиеся самоходчики в сердцах обозвали СУ-76 «душегубкой». Уже в первых числах июля НКТП рекомендовал непосредственно в войсках демонтировать крышу боевой рубки вплоть до фартука перископического прицела. Это нововведение было с радостью воспринято экипажами. Впрочем, век СУ-76 был отмерен, ей на смену шла более надёжная и совершенная машина. Всего изготовили 560 СУ-76, которые встречались в войсках вплоть до середины 1944 года.
Что же касается более надёжной машины, то она появилась в результате конкурса, объявленного руководством НКТП на создание лёгкой штурмовой САУ, вооружённой 76-мм дивизионной пушкой. В конкурсе приняли участие ГАЗ и завод № 38.
Горьковчане предложили проект САУ ГАЗ-74 на шасси лёгкого танка Т-70. Машина оснащалась одним двигателем ЗИС-80 или американским СМС. В качестве вооружения предполагалось использовать 76-мм пушку С-1, созданную на основе танкового орудия Ф-34.
На заводе № 38 решили использовать в качестве силовой установки двигательный агрегат ГАЭ-203 от танка Т-70, состоявший из двух моторов ГАЗ-202, соединённых последовательно. Ранее использование этого агрегата на САУ считалось неприемлемым из-за его большой длины. Теперь эту проблему попытались решить за счёт более тщательной компоновки боевого отделения, изменением конструкции ряда узлов, в частности орудийной установки.
В отличие от СУ-12 на новой машине СУ-15 пушка ЗИС-З устанавливалась без нижнего станка. На СУ-12 орудие использовалось с минимальными изменениями, не только с нижним станком, но и с обрезанными станинами (на машинах поздних выпусков они были заменены специальными распорками), упиравшимися в борта. На СУ-15 от полевой пушки использовались только качающаяся часть и верхний станок, который устанавливался на поперечной П-образной балке, приклёпанной и приваренной к бортам боевого отделения. Боевая рубка по-прежнему оставалась закрытой.
Кроме СУ-15 завод № 38 предложил ещё две машины СУ-38 и СУ-16. Обе они отличались применением штатной базы танка Т-70, а СУ-16, кроме того, боевым отделением, открытым сверху.
Испытания новых артсамоходов проводились на Гороховецком полигоне в июле 1943 года в разгар Курской битвы. Наибольшим успехом у военных пользовалась СУ-15, её и рекомендовали к серийному производству после некоторых доработок. Требовалось облегчить машину, что и было сделано путём снятия крыши, что одновременно решило все проблемы с вентиляцией, а также облегчило посадку и высадку экипажа. В июле 1943 года СУ-15 под армейским обозначением СУ-76М была принята на вооружение Красной Армии.
По своей компоновке СУ-76М относилась к типу полузакрытых самоходных установок. Механик-водитель располагался в носовой части корпуса по его продольной оси в отделении управления, которое находилось за трансмиссионным отделением. В кормовой части корпуса находилась неподвижная открытая сверху и частично сзади броневая рубка с боевым отделением. Корпус САУ и рубка сваривались или склепывались из катаных броневых листов толщиной 7-35 мм, устанавливавшихся под различными углами наклона. Бронировка противооткатных устройств пушки имела толщину 10 мм. Для посадки механика-водителя в верхнем лобовом листе корпуса имелся люк, закрывавшийся литой броневой крышкой с перископическим прибором наблюдения, заимствованной у танка Т-70М. В боевом отделении слева от пушки размещался наводчик орудия, справа — командир установки, заряжающий находился в левой задней части боевого отделения. Для посадки этих членов экипажа и загрузки боекомплекта предназначалась дверь в кормовом листе боевого отделения. От атмосферных осадков боевое отделение закрывалось брезентовым тентом.
В передней части боевого отделения была приварена поперечина коробчатой формы, в которой крепилась опора верхнего станка 76-мм пушки ЗИС-З обр. 1942 г. Пушка имела клиновой вертикальный затвор и по-луавтоматику копирного типа. Длина ствола пушки составляла 42 калибра. Углы наведения орудия составляли от -5° до +15° по вертикали и по 15° влево и вправо по горизонтали. Для стрельбы прямой наводкой и с закрытых позиций использовался штатный перископический прицел орудия (панорама Герца). Скорострельность пушки с исправлением наводки составляла 10 выстр./мин., при ведении беглого огня — до 20 выстр./мин. Максимальная дальность стрельбы составляла 12 100 м, дальность стрельбы прямой наводкой — 4000 м, дальность прямого выстрела — 600 м. Уравновешивание бронировки качающейся части пушки осуществлялось с помощью установки 110-кг противовеса, крепившегося к люльке снизу сзади.
Боекомплект пушки состоял из 60 унитарных выстрелов.
Бронебойно-трассирующий снаряд массой 6,5 кг имел начальную скорость 680 м/с. На дистанциях 500 и 1000 м он пробивал по нормали броню толщиной 70 и 61 мм соответственно. Бронебойно-подкалиберный снаряд массой 3 кг и начальной скоростью 960 м/с на дистанциях 300 и 500 м пробивал 105- и 90-мм броню.
Вспомогательное вооружение СУ-76М состояло из 7,62-мм пулемёта ДТ, который перевозился в боевом отделении. Для стрельбы из пулемёта использовались закрываемые броневыми заслонками амбразуры в бортах рубки и в её лобовом листе справа от пушки. Боекомплект пулемёта состоял из 945 патронов (15 дисков). Кроме того, в боевом отделении укладывались два пистолета-пулемёта ППШ и 426 патронов к ним (6 дисков), а также 10 ручных гранат Ф-1. В средней части корпуса в моторном отделении ближе к правому борту был установлен силовой агрегат ГАЭ-203, состоявший из двух соединённых последовательно 6-цилиндровых карбюраторных двигателей ГАЗ-202, общей мощностью 140 л.с. Коленчатые валы двигателей были соединены муфтой с упругими втулками. Система зажигания, система смазки и система питания (кроме баков) для каждого двигателя были независимы. В системе воздухоочистки двигателей использовались два сдвоенных воздухоочистителя инерционно-масляного типа. Ёмкость двух топливных баков, размещавшихся в отделении управления, составляла 412 л.
Трансмиссия САУ состояла из двухдискового главного фрикциона сухого трения, четырёхступенчатой коробки передач ЗИС-5, главной передачи, двух многодисковых бортовых фрикционов с плавающими ленточными тормозами и двух бортовых редукторов.
В ходовую часть машины применительно к одному борту входили шесть обрезиненных опорных катков, три поддерживающих катка, ведущее колесо переднего расположения со съёмным зубчатым венцом и направляющее колесо, аналогичное по устройству опорному катку. Подвеска — индивидуальная торсионная. Мелкозвенчатая гусеница цевочного зацепления включала в себя 93 трака шириной 300 мм.
Самоходная установка СУ-76М:
1 — 76-мм пушка ЗИС-З; 2 — бронировка качающейся части пушки; 3 — рубка; 4 — заслонка амбразуры для стрельбы из личного оружия; 5 — направляющее колесо; 6 — опорный каток; 7 — поддерживающий каток; 8 — ведущее колесо; 9 — глушитель; 10 — жалюзи; 11 — крышка трансмиссионного люка; 12- люк воздухопритока; 13 — крышка надмотор-ного люка; 14 — крышка люка для доступа к стопору пушки по-походному; 15 — крышка люка переднего бензобака, 16 — крышка люка заднего бензобака; 17-заслонка амбразуры командира; 18 — сиденье командира; 19 — сиденье наводчика и заряжающего (на марше); 20 — стопор пушки по-походному; 21 — заглушка амбразуры для стрельбы из револьвера; 22 — фара; 23 — крышка люка механика-водителя; 24 — заслонка отверстия для заводной рукоятки; 25 — казённик пушки; 26 — кормовая дверца; 27 — задний фонарь; 28 — окно для выхода воздуха. На виде снизу элементы ходовой части условно не показаны.
Боевая масса машины составляла 10,5 т. Максимальная скорость ограничивалась 30 км/ч вместо расчётной 41 км/ч, так как при большей скорости начиналось биение левой полуоси главной передачи. Запас хода по топливу составлял 320 км по шоссе и 190 км по грунтовой дороге.
Осенью 1943 года, после полного прекращения производства лёгких танков Т-70, к выпуску СУ-76М подключились ГАЗ и завод № 40 в подмосковных Мытищах. С 1 января 1944 года головным предприятием по СУ-76М стал Горьковский автозавод, а главным конструктором САУ был назначен H.A. Астров. Под его руководством на ГАЗе уже с осени 1943-го велись работы по совершенствованию самоходки и приспособлению её конструкции к условиям массового производства. Изменения вносились в конструкцию СУ-76М и в дальнейшем. Так, машины поздних выпусков получили высокий кормовой лист боевого отделения с двумя амбразурами и дверью большего размера, для крепления пулемёта в кормовой части рубки появилась труба, приваренная к её правому и левому бортам, стали использоваться амбразуры новой формы, более приспособленные для стрельбы из пулемёта и т.д.