С 1932-го по 1938 год грузовики ГАЗ-АА комплектовались четырехцилиндровым рядным бензиновым двигателем с рабочим объемом 3,28 литра. Силовой агрегат был оснащен алюминиевыми поршнями, своего техническое новшество для того времени. При 2,6 тысячи оборотов мотор развивал 42 лошадиные силы. Мотор расходовал в среднем 60 литров бензина на 100 километров пути, но часто потребление топлива было выше, сказывались износ и низкое качество смазочных материалов.

Двигатель никакого навесного оборудования практически не имел. Топливо из 40-литрового бака подавалось самотеком — бензобак был установлен выше двигателя за передней панелью кабины над коленями водителя и пассажира. Вода в системе охлаждения также циркулировала без насоса только лишь за счет теплового расширения. Правда, примитивный насос все же имелся — он запускал циркуляцию при запуске двигателя.

Тем не менее, двигатель “полуторки” был вынослив и практически всеяден. Например, летом в теплую погоду бывало, что водители заливали вместо бензина керосин и так ездили. Выносливость и всеядность двигателя обеспечивались относительно низкой степенью сжатия топливной смеси.

С 1935 года некоторые “полуторки” (а с 1940 года — все ГАЗ-АА) стали оснащаться модернизированным двигателем мощностью 50 лошадиных сил. Этот двигатель был унифицирован с двигателем легкового автомобиля ГАЗ-М1 (“Эмка”), на который ставились и бензонасос (у “эмки” бензобак располагался ниже двигателя в задней части кузова), новый распределитель зажигания и индикатор давления масла. Впрочем, сами полуторки ни индикатора, ни бензонасоса не получили.