В сентябре 1942 года КБ Горьковского автозавода начались проработки по усилению вооружения бронеавтомобиля БА-64, т.к. по отзывам с фронта штатного пулемета ДТ-29 оказалось совершенно недостаточно, дабы обеспечивать эффективное поражение противника и подавление вражеских огневых точек на дальних дистанциях. Из-за небольших размеров самой бронемашины и ее башни особых альтернатив, кроме 12,7-мм крупнкалиберного пулемета ДШК, у конструкторов не было. Из-за возросших габаритов и массы вооружения пришлось увеличить размеры башни, использовав для нее погон башни легкого танка Т-60. Разработка и изготовление нового броневика, получившего обозначение БА-64Д (ДШК), затянулись, и сборку первого прототипа удалось завершить только 2 апреля 1943 года.
(Модель бронеавтомобиля БА-64Д)
Установка ДШК на БА-64Д монтировалась в восьмигранной башне, установленной на погоне от танка Т-60. Пулемет крепился в специальном кронштейне, допускавшем ведение стрельбы по воздушным и наземным целям от — 6 до +70 градусов, и имел два прицела — для наземной и зенитной стрельбы. Установка на бронеавтомобиль башни с погоном от Т-60 потребовала изменения конструкции крыши и доработки верхних бортовых листов и стеллажей для укладки боекомплекта. Масса машины возросла с 2,36 т. до 2,425 т. т.е. почти на 100 килограмм.
(Внутреннее устройство башни с крупнокалиберным пулеметом ДШК)
3 и 6 апреля 1943 года БА-64Д испытали стрельбой, а 12 апреля продемонстрировали представителям ГБТУ Красной Армии. Броневик произвел хорошее впечатление на приемную комиссию, главное замечание военных состояло в замене 30-зарядного магазина к ДШК на нормальное ленточное питание, позволявшее обеспечить длительное ведение эффективного огня по противнику.
11 мая 1943 года начальник ГБТУ Красной Армии генерал-лейтенант танковых войск Вершинин направил письмо наркому среднего машиностроения Акопову:
«Военному Совету БТ и MB KA 22 апреля 1943 года ГАЗом были предъявлены три типа бронемашин БА-64 — ширококолейный, десантный и с установкой пулемета ДШК…
Новые типы машин предназначаются: …
2. Установка ДШК на БА-64:
а). для прикрытия пехоты от авиации противника;
б). для усиления ПВО подразделений фронтовой зоны.
В соответствии с этим прошу: …изготовить к 1 июня 1943 года партию бронеавтомобилей с пулеметом ДШК в 10 штук для войсковых испытаний».
(БА-64Д на полигоне с пулеметом поднятым на максимальный угол наводки)
К сожалению ГАЗ отказался от переработки машины с установкой пулемета ДШК с ленточным питанием, мотивируя это «сложностью размещения ленточного питания к крупнокалиберному пулемету в башне бронемашины БА-64», а также загруженностью конструкторского бюро другими заказами.
Поэтому бронеавтомобиль БА-64Д остался в единственном экземпляре.