Ciągniki serii próbnej zostały 16 lipca 1935 r. zaprezentowane Stalinowi, po czym zaaprobowane do produkcji, jednakże dopracowanie konstrukcji i wdrożenie do produkcji potrwało do 1937 roku.
STZ-5 otrzymał zakrytą dwuosobową kabinę z przodu, typu wagonowego, z silnikiem w kabinie, a z tyłu platformę ładunkowo-pasażerską. Od cywilnego wariantu silnik STZ-5 różnił się wyposażeniem w rozrusznik elektryczny, a ponadto rozwijał większą prędkość dzięki innym przełożeniom skrzyni biegów (pięć do przodu o rozpiętości 9,81 i jedno do tyłu). Został on również wyposażony w wciągarkę. Masa holowanej przyczepy wynosiła 4,5 t, maksymalnie 7,25 t.
Produkcja i eksploatacja W 1937 roku zbudowano 173 ciągniki, w następnym roku 136, po czym poziom produkcji skoczył do ponad 1200 rocznie w latach 1939–1940. Do 13 września 1942, kiedy zakończono produkcję na skutek podejścia wojsk niemieckich pod zakłady Stalingradzkiej Fabryki Traktorów, wyprodukowano 9944 ciągników STZ-5, z tego 6505 już w trakcie wojny z Niemcami. Przez to, był on najliczniejszym radzieckim ciągnikiem artyleryjskim specjalnej budowy podczas II wojny światowej (bez uwzględnienia adaptowanych ciągników rolniczych). Na 1 stycznia 1941 Armia Czerwona miała ich na stanie 2839 (13,2% parku ciągników).