W kwietniu 1941 roku samochód został zaprezentowany Stalinowi i rozpoczął próby wojskowe. 18 czerwca zdecydowano skierować go do produkcji, mimo niezakończonych prób. Produkcję seryjną rozpoczęto pod koniec sierpnia 1941 roku. Wyprodukowano jednak niewiele maszyn – w 1941 roku powstały 602 samochody, a w 1942 roku tylko 67 sztuk. Podwozia GAZ-64 następnie zostały użyte do produkcji samochodów pancernych BA-64, a szczególnie deficytowe były przeguby napędowe typu Bendix-Weiss, potrzebne także jako części zamienne. Do produkcji samochodów terenowych powrócono pod koniec 1943 roku, kiedy opracowano zmodernizowany wariant GAZ-64, oznaczony jako GAZ-67, w którym główną zmianą było poszerzenie rozstawu kół do 1446 mm, polepszające stabilność.
Służba GAZ-64 wszedł do służby w Armii Czerwonej w małych ilościach jako uniwersalny lekki samochód terenowy, pierwszy w swojej klasie. Służył do celów sztabowych lub do przewożenia pododdziałów piechoty, nawet z przeciążeniem w większej liczbie żołnierzy niż nominalna nośność. Mógł służyć jako ciągnik dla armaty przeciwpancernej 45 mm z przodkiem lub armaty przeciwpancernej 57 mm ZiS-2 albo polowej 76 mm ZiS-3 bez przodka. W praktyce rzadko używano ich do zadań zwiadu.