Конструкция автомобиля ЗиЛ-164 ЗиЛ-164 представлял собой грузовой автомобиль с трёхместной цельнометаллической кабиной и деревянной платформой с тремя открывающимися бортами. Двигатель автомобиля - карбюраторный, рядный, шестицилиндровый, четырёхтактный, нижнеклапанный, рабочим объёмом 5,55 л. Степень сжатия - 6,2, Максимальная мощность двигателя - 100 л.с. при частоте вращения коленвала 2800 об./мин.

Цилиндры двигателя расположены в одном блоке, отлитом из чугуна вместе с картером. Плоскость разъёма картера находится ниже оси коленвала. Вокруг цилиндров в блоке имеется водяная рубашка. На блоке двигателя установлена на прокладке общая головка цилиндров с водяной рубашкой, в которой располагаются камеры сгорания. Головка, изготовленная из алюминиевого сплава, закреплена на блоке болтами и шпильками.

Поршни с плоским днищем отлиты из алюминиевого сплава. На верхней части поршня установлены три компрессионных и одно маслосъёмное кольцо. Коленвал сделан из углеродистой стали, шейки его подвергнуты поверхностной закалке токами высокой частоты. В двигателе вал вращается на семи подшипниках, имеющих стальные тонкостенные вкладыши с баббитовой заливкой.

Маховик закреплён шестью болтами на фланце заднего конца коленвала. Спереди на валу зафиксирована на шпонке стальная распределительная шестерня, маслоотражатель и шкив привода вентилятора. Снизу к картеру двигателя прикреплён на прокладках стальной штампованный поддон. Распределительный вал из углеродистой стали установлен на четырёх стальных втулках с баббитовой заливкой.

В средней части вала имеется шестерня привода масляного насоса и распределителя зажигания, в задней части - эксцентрик для привода бензонасоса, а спереди - чугунная шестерня, входящая в зацепление с шестернёй коленвала. Двигатель крепится на раме на трёх опорах с применением резиновых подушек. Система охлаждения двигателя - принудительная, закрытая. Радиатор трубчато-пластинчатого типа закреплён на раме через резиновые подушки. Термостат - одноклапанный.