Второе семейство V-образных восьмицилиндровых двигателей первоначально состояло из двигателей ЗМЗ-66 и 3M3-53. В целях конструктивной и технологической унификации в них были сохранены основные базовые размеры двигателя 3M3-13, такие как расстояние между осями цилиндров, координаты осей отверстий под толкатели привода клапанов газораспределения и под шпильки крепления головки цилиндров, координаты расположения опор коленчатого вала в блоках цилиндров и шеек коленчатых валов, их диаметры и др. В них впервые в мире были применены блоки цилиндров, отлитые из алюминиевого сплава под давлением.

В отличие от двигателя 3M3-13 двигатели ЗМЗ-66 и 3M3-53 в системе смазывания имели воздушно-масляный радиатор, двухкамерный вместо четырехкамерного балансированный карбюратор с падающим потоком К-126Б с пневмо-центробежным ограничителем частоты вращения. Отбор мощности осуществлялся через однодисковое сухое сцепление постоянно-замкнутого типа с демпфером в ведомом диске.

Автомобиль повышенной проходимости ГАЗ-66 имел систему регулирования давления в шинах и гидроусилитель руля, которые облегчали эксплуатацию автомобиля в условиях бездорожья. Регулирование давления в шинах осуществлялось с помощью одноцилиндрового поршневого компрессора, установленного на двигателе с клино-ременным приводом от шкива коленчатого вала. Гидроусилитель руля работал за счет давления, создаваемого насосом гидроусилителя, также установленного на двигатель. Насос лопастного типа двойного действия имел, как и компрессор, клиноременный привод от коленчатого вала двигателя.

В 1967 г. был начат выпуск двигателей ЗМЗ-672, еще одной модели из семейства двигателей с рабочим объемом 4.25 дм3. Этот двигатель устанавливался на городской автобус ПАЗ-672, освоенный Павловским автобусным заводом. Этот автобус заменил ранее выпускавшийся автобус ПАЗ-652 с форсированным карбюраторным шестицилиндровым нижнеклапанным двигателем ГАЗ-51. За счет установки на автобус более мощного двигателя ЗМЗ-672 энерговооруженность автобуса ПАЗ-672 по сравнению с ПАЗ-652 возросла с 9.9 до 11 кВт на тонну массы автобуса при сохранении эксплутационного расхода топлива практически на прежнем уровне, что свидетельствовало о повышении технического уровня нового автобуса. Двигатель ЗМЗ-672 представлял собой двигатель ЗМЗ- 66 с несколько измененной комплектностью. К этим изменениям относились: применение генератора Г-253 большей мощности, чем у двигателя ЗМЗ-66 (475 Вт вместо 350 Вт), установка на место компрессора насоса гидроусилителя руля, наличие четырехручьевого шкива коленчатого вала для привода вентилятора.

В 1967 г. на базе ЗМЗ-66 был освоен двигатель ЗМЗ-71 для гусеничного транспортера, а затем - серия других двигателей стационарного и транспортного назначения.