Главной особенностью ЗИЛ-135 являлся округлый сварной цельнометаллический водоизмещающий корпус с гладким днищем, колесными нишами и выемками для фар, сваренный из профилированных продольных балок, поперечин, шпангоутов и обшитый снаружи стальными листами. В его носовой части помещалась закрытая 2-местная кабина с отопителем, люком в крыше и герметизированными лобовыми стеклами с обогревом, двумя угловыми и боковыми раздвижными окнами. В ее тыльной части находилась дверь для прохода в моторный отсек и на грузовую платформу с тентом, в которой имелась также собственная задняя двухстворчатая дверь. В кузове длиной 5,5 м размещались две или три продольные скамейки для доставки 20 – 30 человек десанта. В дополнительную комплектацию входили водооткачивающий насос, рация, прибор ночного видения, шанцевый инструмент.
Габаритные размеры автомобиля составили 8575x2705x2460 мм, колея всех мостов – 2150 мм, дорожный просвет – 500 мм. Радиус поворота – 11,5 м. Снаряженная масса – 9,5 т, полная – 15,0 т. Максимальная скорость по шоссе – 55 км/ч, на плаву – 10 км/ч. Контрольный расход топлива – 120 л на 100 км. На первых заводских испытаниях машина преодолевала рвы шириной 2,5 м, но на скоростях от 17 до 35 км/ч проявляла склонность к галопированию.
Оригинальная амфибия ЗИЛ-135, полностью разработанная и построенная в СССР, стала одним из высших, но секретных достижений отечественного автомобилестроения. Уже в ноябре 1958 года ее представили руководителям и членам Советского правительства – Н. С. Хрущеву, А. П. Кириленко, Л. И. Брежневу, Г. М. Маленкову и другим. Она действительно появилась вовремя. К тому моменту военные безуспешно пытались найти быстроходную и более простую замену гусеничным машинам для размещения самоходных пусковых установок (СПУ) тактического ракетного комплекса (ТРК) 2К6 «Луна». В первоначальном исполнении он базировался на шасси плавающего танка ПТ-76 и предназначался для запуска осколочно-фугасной ракеты ЗР-9 или модели ЗР-10 с ядерной боеголовкой. Перенос комплекса на колесную амфибию считался наиболее удачным и абсолютно естественным решением, так как позволял повысить мобильность и долговечность всей системы, сократить расходы на обслуживание, а более плавный колесный ход давал дополнительные гарантии при транспортировке капризной ядерной боевой части, но об устойчивости машины на плаву Грачев просто не подумал. В январе 1959 года на заводе было решено собрать еще три специально доработанных транспортера ЗИЛ-135 под монтаж ракетных систем. С марта в ОКБ завода «Баррикады» под руководством Г. И. Сергеева проводилась разработка новой СПУ 2П21 (Бр-226-II) с артиллерийской частью С-123А с наклонным стартом. В мае вся документация была готова и передана в опытное производство. В июне СПУ смонтировали на прибывшем туда своим ходом шасси ЗИЛ-135 с дополнительными задними домкратами и опорами под передними колесами. Стартовая масса пусковой установки достигала 9750 кг, максимально допустимая скорость на шоссе – 40 км/ч. До начала июля ее испытывали на суше и на плаву, но тут же выяснилось, что из-за повышенного центра тяжести машина стала крайне неустойчивой на воде и чуть не перевернулась. Затем на полигоне были проведены пробные стрельбы с СПУ 2П21, выявившие неудобное размещение кабины и моторного отсека, неприспособленных для данных целей, и деформацию металлической кабины от воздействия раскаленных газов и пламени при старте ракеты. В заключении по результатам испытаний предлагалось перекомпоновать машину и использовать более стойкий материал для кабины, а также указывалось, что «в связи с превышением расчетной грузоподъемности автомобиля за счет установки артиллерийской части водоходные качества полностью утрачены». В 1958 году шасси ЗИЛ-135 предполагалось использовать также под ТРК «Онега» с ракетой 3М1.
