A szovjet ipar legfejlettebb, összkerékhajtású teherautó szerelvényének fejlesztése az ötvenes évek végén indult. Az első kísérleti példány, amely 1960-ra készült el, a ZiL 131-es alvázára épült, de a dizájn tekintetében még a ZiL-157V-ra hasonlított. Az első tesztpéldány 2E131 jelöléssel futott, majd a soron következő prototípusokat 3E131-es, illetve 4E131-es jelöléssel látták el, végül megszületett a sorozatgyártásnál használt ZiL-137-es jelölés, utalva ezzel a kiinduló modellre.
Az első ZiL-137-es 1963-ban készült el és a tesztek során 18 ezer kilométert teljesítettek vele sikeresen. A modellt alapvetően katonai felhasználásra szánták, így 1966-ban az első példányok a szovjet hadsereghez kerültek. A ZiL-137-esből háromféle változat létezett: egy sztenderd háromtengelyes, 150 lóerős motorral szerelt változat (ZiL-137T), valamint két, kéttengelyes nyerges vontató, amelyek mindössze hosszúságban tértek el egymástól. A normál hosszúságú „A”, a fél méterrel nagyobb túlnyúlással rendelkező variánst pedig „B” betűvel jelölték.
A ZiL-137T különlegessége, hogy hidrosztatikus hajtással látták el, amely a motorban keletkező hőenergiát folyadéknyomás segítségével viszi át a kerekekhez. Mivel 10×10-es kerékképlettel rendelkezett, ez azt jelentette, hogy nemcsak a nyergesvontató, hanem a pótkocsi kerekeit is hajtani kellett.
Ezt úgy oldották meg, hogy a duplakuplungos váltóműhöz egy hidraulikus pumpát építettek, amely nagy nyomáson, flexibilis csővezetékeken keresztül, kardántengelyek segítségével szállította az olajat a kerekekhez. Az elektro-hidraulikus rendszernek köszönhetően a félpótkocsi kerekei gázadáskor automatikusan gyorsulni kezdtek. Valamennyi összkerékhajtású változat kombinált fékrendszerrel készült és kerekeik abroncsnyomását pedig a fülkéből lehetett szabályozni.
A nyerges vontató önsúlya 7 tonna volt, míg a félpótkocsi 3,8 tonnát nyomott terheletlenül. A ZiL-137-es összesen 19,5 tonnás teherbírással rendelkezett és a félpóttal együtt 14 méter hosszú volt (rövidebb változat). Üresen 80 kilométer/órával, rakománnyal pedig 60 kilométer/órás sebességgel lehetett vele közlekedni. Benzinmotorjának legendás étvágya volt, ugyanis 100 kilométeren akár 52 liter üzemanyagot is el tudott égetni. Az összkerékhajtású változatok gyártása 1970-ben kezdődött a Branszki Autógyárban (BAZ). 1978-ra összesen 1972 darab félpóttal ellátott ZiL-137-eset gyártottak az üzemben.
A korábban említett változatok közül a ZiL-137B lett a legelterjedtebb, mivel ezeken szállították az új rakétarendszereket álcával, vagy anélkül. A modell alapvetően strapabíró volt – a 131-eshez hasonlóan – de sok probléma adódott a hidrosztatikus hajtással. Talán ennek is köszönhető, hogy 1978-ban leálltak a gyártásával. A BAZ aztán előállt egy „saját márkás” változattal, amely a 3405-9366-os típusszámot kapta és a ZiL-137-eshez hasonlóan ugyancsak katonai felhasználásra készült.
