Работы по дальнейшей модернизации среднетоннажных грузовых автомобилей марки ГАЗ начались на Горьковском автозаводе ещё в первой половине 60-х годов. Одним из первых опытных образцов стал автомобиль ГАЗ-54 с модернизированным оперением кабины. Далее велись работы по автомобилю ГАЗ-53-11 как варианту глубокой модернизации существовавшего тогда семейства ГАЗ-53А.
Однако, во второй половине 70-х Минавтопром СССР потребовал от завода начать разработку грузового автомобиля с совершенно новой кабиной и дизельным двигателем. Особые трудности возникли именно по ним. За основу новой кабины была взята кабина грузовых автомобилей западно-германской марки Mаgirus-Deutz поставлявшихся тогда в СССР. Подходящих дизелей советская промышленность не выпускала, поэтому было принято решение о покупке лицензии на производство дизельных двигателей воздушного охлаждения у фирмы Klоcknеr-Humboldt-Deutz (KHD) чьими дизелями и были оснащены грузовики Magirus-Deutz, которые прекрасно зарекомендовали себя в условиях Сибири. Начавшаяся в стране продовольственная программа потребовала срочного создания сельскохозяйственных самосвальных автопоездов. В начале 80-х при разработке конструкции грузового автомобиля ГАЗ-3307 и других моделей четвёртого поколения предусматривалась широкая унификация по узлам и агрегатам автомобилей действующего производства, что позволило удешевить автомобили и одновременно облегчило их техническое обслуживание, ремонт и эксплуатацию. Автомобиль получил более просторную современную двухместную кабину, оборудованную эффективной системой вентиляции и отопления, впервые применённую на экспериментальном грузовике ГАЗ-4301 в 1984 году. В конструкцию рулевого управления в отличие от предшественников, впервые, входит гидроусилитель руля.
Серийное производство 4,5-тонного грузовика ГАЗ-3307 (4х2) с карбюраторным двигателем ЗМЗ-511 мощностью 125 л.с. началось в конце 1989 года.