Первые ходовые прототипы с индексом "3101" появились в середине 70-х. Работа над семейством ГАЗ-3101 шла неспешно до тех пор, пока в 1977 году не появилась новая "Чайка" ГАЗ-14. Интрига заключалась в следующем: ГАЗ-14, по сравнению со своим предшественником ГАЗ-13, потяжелел, увеличился в размерах и стал выглядеть более солидно, что приблизило его к правительственным ЗИЛам. Соответственно, поднялась и планка, определяющая статус чиновника, которому новая "Чайка" была положена в качестве служебного автомобиля. А на чем же ездить ответственным работникам рангом пониже? ГАЗ-24 к тому времени стал слишком распространенным (он широко использовался в качестве такси и милицеского автомобиля), а значит, напрочь лишенным статусности.

Чиновникам "средней и полутяжелой весовой категории" нужен был свой, знаковый автомобиль - солиднее ГАЗ-24, но проще ГАЗ-14. Эту нишу и предстояло занять новой "Волге", которую впоследствии прозвали "министерской" или "директорской" машиной.

Примерно к этому же периоду относится и корректировка цифрового индекса новой "Волги". Замена "единицы" на "двойку" (ГАЗ-3102) означала очередной отказ от V-образных двигателей в качестве базовых в пользу рядных четырехцилиндровых. Причиной такого "поворота", помимо сугубо технических проблем, стали мировые топливные кризисы: на модернизированную "Волгу" огромные надежды возлагал Автоэкспорт СССР, а прожорливый автомобиль оказался бы неконкурентоспособным на западных рынках.

Альтернативным силовым агрегатом стал модернизированный движок ЗМЗ-402 (ЗМЗ-24Д), который ставили на ГАЗ-24. Правда, модернизирован он был настолько, что эту версию (ЗМЗ-4022.10) по праву можно считать одним из самых интересных, хотя и не слишком удачных, отечественных двигателей. Речь идет об использовании редкой системы - форкамерно-факельного зажигания, которое обеспечивалось совершенно новой головкой блока цилиндров и новым карбюратором.
Суть в следующем: основная камера сгорания каждого цилиндра имеет небольшую дополнительную "предкамеру" (форкамеру). В трехкамерном карбюраторе одновременно готовится два вида рабочей смеси - обогащенная и обедненная. Небольшое количество обогащенной смеси подается в форкамеру, а обедненная заполняет основную камеру сгорания. Свечой зажигания воспламеняется смесь в форкамере, а затем мощный "факел" воспламеняет обедненную смесь в цилиндре. И основная камера сгорания, и "предкамера" оснащаются отдельными впускными клапанами. Такая система позволяет, с одной стороны, увеличить КПД двигателя, а с другой - сократить расход топлива и снизить токсичность выхлопа благодаря использованию обедненной смеси.
Сам принцип не являлся революционным. Работы по созданию форкамерно-факельного мотора с переменным успехом велись на ГАЗе с 50-х годов. Серийному производству препятствовали технические недоработки, практически сводившие на нет преимущества конструкции. Решить все проблемы удалось после ознакомления горьковских инженеров с форкамерно-факельным мотором серийной машины Honda Civic CVCC 1975 года. Это дало возможность запланировать базовую модель нового семейства именно с таким двигателем и начать подготовку к производству ГАЗ-3102 с 1982 года.

В конечном счете, форкамерно-факельный двигатель ЗМЗ-4022.10 оправдал возлагавшиеся на него надежды. По сравнению с взятым за основу ЗМЗ-24Д, мощность возросла на 10 л.с., а расход топлива сократился с 10,5 до 8,5 л на 100 км. Хотя новая "Волга" оказалась на полцентнера тяжелее старой, до 100 км/ч она разгонялась почти на четыре секунды быстрее.

Но у этого мотора оказалось много эксплуатационных недостатков, в том числе склонность к перегреву. Работа с системой форкамерно-факельного зажигания, сверхточные настройки и ювелирная регулировка эксклюзивного трехкамерного карбюратора К-156 требовали от водителей и механиков сноровки, опыта и квалификации, а кроме того, времени и соответствующих технических средств. Вскоре движок ГАЗ-3102 приобрел у ремонтников отвратительную репутацию.

В 1996 году выпуск форкамерно-факельного мотора был полностью прекращен.
С 1994 года часть автомобилей семейства ГАЗ-31 оснащали новым детищем Заволжского моторного завода ЗМЗ-4062.10 с комплексной микропроцессорной системой управления впрыском топлива и зажиганием (КМСУД) и гидрокомпенсаторами клапанов. Правда, в ту пору двигатель ЗМЗ-4062.10 был еще недостаточно надежным. Зато другие нововведения 1994 года - разработанная с нуля пятиступенчатая коробка передач, задний мост с неразъемным картером ("неразрезной"), бензобак, "вытеснивший" запасное колесо из-под пола багажника к его стенке, - зарекомендовали себя наилучшим образом и в дальнейшем сохранились на всех "прямых потомках" ГАЗ-3102.