Уже после выпуска первых серийных машин конструкторы занялись улучшением боковой устойчивости БА-64. С этой целью колея броневика была расширена до 1446 мм, в переднюю подвеску добавили два амортизатора, внесен еще целый ряд изменений. В конце октября 1942 года «ширококолейный» БА-64Б успешно прошел испытательный пробег, подтвердив целесообразность нововведения - допустимый крен составлял уже 25°.

Начатое весной 1943 года производство БА-64Б продолжалось по 1946 год. В 1944 году производство БА-64Б по отчетности НКО стабильно составляло 250 машин в месяц - 3000 в год (с рацией - 1404). Несмотря на свой основной недостаток - малую огневую мощь - бронеавтомобили БА-64 успешно применялись при проведении десантных операций, разведрейдов, для сопровождения и боевого охранения пехотных подразделений.

Особенно удачным оказалось применение БА-64 в уличных боях, где важным фактором была возможность весть стрельбу по верхним этажам зданий. БА-64 и БА-64Б принимали участие во взятии польских, венгерских, румынских, австрийских городов, в штурме Берлина. Всего, по данным военных, ими было принято 8174 бронеавтомобиля БА-64 и БА-64Б (с рацией - 3390). Последние 62 машины заводы изготовили в 1946 году.

Всего за период с 1942 по 1946 гг. заводы выпустили 3901 бронеавтомобиль БА-64 и 5209 БА-64Б.

В послевоенной Советской Армии бронеавтомобили БА-64Б (узкоколейных БА-64 практически не осталось) использовались как учебно-боевые, примерно до 1953 года. В других странах их использовали гораздо дольше. Польша получила 81 машину, Чехословакия - 10, в ГДР они хорошо зарекомендовали себя как полицейские машины. Много машин было отправлено в Югославию, КНДР и Китай.