Первый опытный экземпляр «Урал-377» был построен в 1961 году. Несмотря на успешное окончание государственных испытаний и запуск автомобиля в серийное производства, он имел ряд неустранимых недостатков, связанных с необходимостью унификации с полноприводным «Урал-375Д». Главным из таких недостатков являлось недостаточное соотношение грузоподъемности по отношению к полной массе автомобиля. Потенциально автомобиль мог перевозить груз массой 10-12 тонн, однако недостаточная длина грузовой платформы не позволяла грузить автомобиль соответствующим образом. Кроме того, вследствие неоптимальной развесовки неполноприводного «Урал-377» по осям, в отдельных случаях при полной загрузке платформы происходило вывешивание передней оси, что отрицательно сказывалось на управляемости автомобиля.
    Итогом работ по устранению указанных недостатков стало создание в 1967 году усовершенствованной модели «Урал-377М» с увеличенной до 4620мм (против прежних 4200мм) колесной базой и увеличенной с 4500 до 4850мм платформой - на фото вверху. Был проведен ряд работ по снижению веса узлов и агрегатов грузовика (вплоть до применения более легких шин ОИ-П46 размерности 1100х400-533) и одновременное повышение его грузоподъемности до 8 тонн. Кроме того, с целью уменьшения погрузочной высоты грузовой платформы было принято решение отказаться от запасного колеса под платформой (в результате погрузочная высота уменьшилась до 1420мм), тем более что шины были бескамерные и большой нужды в запаске не было. Вместе с тем на задней тележке (с межосевым дифференциалом) оставили централизованную подкачку шин. Таким образом, при повреждении одного из передних колес его можно было поменять местами с задним и продолжить движение. Была оставлена односкатная ошиновка с целью сохранения проходимости по плохим дорогам на приемлемом уровне. В результате проведенных мероприятий по оптимизации конструкции снаряженная масса машины была снижена с 7275кг до 6635кг.
    С целью снижения расхода топлива были изменены передаточные числа в трансмиссии, увеличено число передач, проведен ряд других мероприятий. Однако расход топлива все равно достигал 73л/100км при движении в сложных дорожных условиях. Поэтому для экономии топлива в дальнейшем предполагалось комплектовать автомобиль дизелем собственной разработки «Урал-376».
    На заводские испытания автомобиль отправился в конце 1966 года, а межведомственные испытания проходили в период с мая по ноябрь 1967 года. Проведенные испытания выявили ряд слабых мест автомобиля при устранении которых запуска машины серию был бы целесообразен (кстати, ввиду низкой надежности шин ОИ-П46 запуск в серию был рекомендован с установкой запасного колеса). В декабре 1967 года для проведения износо-прочностных испытаний в объеме 150 тыс. километров были изготовлены еще два автомобиля «Урал-377М». В декабре 1969 года был успешно окончен и этот этап испытаний, однако в дальнейшем работы по модели были свернуты, поскольку аналогичные по классу автомобили готовились к производству на КамАЗе.

    В декабре 1968 года в экспериментальном цехе были изготовлены два опытных образца «Урал-377М». На одном из них балансирная задняя тележка была переоборудована под двускатную ошиновку, а на переднем мосту было опробовано бездисковое крепление колес. Были проведены различные испытания этого автомобиля на проходимость, определялись средние показатели расхода топлива и тягового усилия на крюке. Дальнейшего развития эти работы не получили ввиду снижения уровня проходимости автомобиля с двускатной ошиновкой. Автомобиль был переоборудован под шины О-47А для проведения прочностных и других типов испытаний его конструкции.
    Среди прочего на этом автомобиле исследовалась возможность увеличения грузоподъемности. Такие испытания были проведены в период с декабря 1968 года по июнь 1969 года, в ходе которых было установлено, что по дорогам 1-ой категории (шоссе, асфальтированные улицы) допускается перевозка грузов массой до 10 тонн. Испытания проводились применительно к грузам различных классов и выявили, что наиболее эффективным использование грузовика будет при перевозках руды, песка, металлов и т.п. – то есть, грузы должны иметь большую удельную плотность. При этом для экономически эффективного использования возможностей грузовика его платформа должна иметь объем 8 куб. метров.

    Отдельно следует упомянуть о модели «Урал-377М» образца 1968 года со стеклопластиковым оперением, радикально поменявшим утилитарный армейский облик. Учитывая народнохозяйственную направленность этой модели, кабина имела заметный «гражданский» уклон. Примечательно, что новая облицовка радиатора и оперение были выполнены из стеклопластика. В ходе испытаний, проводившихся с весны по июнь 1968 года, новая кабина получила ряд замечаний. Помимо субъективных эстетических моментов, было отмечено, что установка и снятие брызговиков крыльев стали затруднены, неудобен стал доступ к креплению выпускных коллекторов с приемными трубами глушителя. Кроме того, отмечались контакты шин с крыльями при прожатии рессор в поворотах, а после 5.000 км пробега на пластиковых элементах появились трещины в местах их крепления к деталям шасси и кабины.
    В серию этот вариант тоже не пошел ввиду недоработанности конструкции, работы над которой так и не были закончены, поскольку начались работы над новыми перспективными полноприводными грузовиками «Урал-379», «Урал-395» и все силы УКЭР были задеуствованы именно в этом направлении.
    На фото справа приведена примерная схема окраски опытного автомобиля, выполненная В.Дмитриевым в 2008 году на основе черно-белой фотографии.

    Модель опытного «Урал-377М» с пластиковым оперением кабины выпускается воронежской мастерской AS-models.