Максимальный преодолеваемый подъем (без прицепа) соответственно достиг 35° (с 30°); с прицепом — с 17° до 20°. Из-за снижения общей высоты и особенно центра тяжести, а также расширения колеи улучшилась боковая устойчивость машины. Преодолеваемый брод увеличился до 1,1 м (с установкой защитных кожухов на двигатель — до 1,5 м). Ширина преодолеваемого рва составляла 2,5 м. Возросший клиренс способствовал повышению подвижности по слабым грунтам. Новый тягач уверенно буксировал 130-мм пушку М-46 обр. 1953 г. по любому бездорожью с достаточной средней скоростью.

Испытания тягача «650» выявили и некоторые его слабые места: случаи деформаций балансиров подвески и отслоения грузошин от бандажей опорных катков (технологический брак), трещины в спицах направляющих колес, повышенный износ проушин траков и пальцев гусениц, а также зубьев ведущих колес, особенно при движении по песку. Износостойкость их была повышена уже в процессе производства тягача «650» в 1966 году. Из-за недоработок двигателистов случались поломки механизмов отбора мощности на лебедку. Недостаточной была плавность поворота машины при движении на высших передачах, затруднено управление при температуре ниже -30°С. Эти недостатки так или иначе потом были устранены. А вот неудобное размещение экипажа в кабине и ее плохая теплоизоляция так и остались до конца неустранимыми. Тем не менее, по результатам госиспытаний преимущества тягача «650» перед АТ-С были настолько значительны, что он был принят в 1959 году на вооружение Советской Армии под обозначением АТС-59. Достаточно быстро для молодого завода, еще не полностью укомплектованного необходимым технологическим оборудованием, не имеющего богатого опыта освоения новой техники, была проведена подготовка к производству новой машины, и это при том, что в полном объеме продолжался и выпуск АТ-С. К маю 1961 года сделали опытно-промышленную партию — первые 10 тягачей АТС-59. Производство их разворачивалось медленно, в том числе из-за недоработок конструкции. К концу 1961 года они выпускались малыми партиями. Но к маю 1962 года месячный выпуск всех тягачей уже достигал 120 машин. Из-за еще неотлаженного штамповочного производства кабин многие детали их первое время «выколачивались» вручную.

Одновременно под руководством ведущего конструктора Л.А.Литовко велись работы над различными модификациями АТС-59, связанными с размещением различного оборудования (в том числе путепрокладчиков, радиолокаторов) на грузовой платформе или в КУНГах (изделия 652, 655, 657, 658), а также — бульдозерами, кабелеукладчиками. Среди них следует отметить выпускавшееся с конца 1963 года «изделие 661» — с установкой в задней части (в закрытом тентом кузове) монтажной стрелы с ручной лебедкой. Тягач «667» имел седельное устройство от ЗИЛ-157В высотой 1650 мм и служил для буксировки полуприцепов ПР-11Б и 5Т52 с полной массой до 6750 кг (нагрузка на седло — не более 2650 кг); у него отсутствовали платформа (надмоторное отделение закрывалось тентом), тяговая лебедка и дополнительные топливные баки (240 л). Для обслуживания 12-вольтовой сети полуприцепа устанавливались дополнительный генератор Г-108-В и аккумуляторная батарея от автомобиля «Москвич». Эта машина поступала в зенитно-ракетные соединения и выпускалась с 1964 года. Кроме того, был построен получивший распространение вариант АТС-59 с передним бульдозером, для обслуживания гидропривода которого использовался заранее введенный в КП механизм отбора мощности. Впоследствии на шасси АТС-59 построили плавающий транспортер ПТ-С, имевший снаряженную массу 17 700 кг (поэтому снабженный шестью опорными катками). При более мощном двигателе (350 л.с.) он с грузом в 5 т развивал на суше скорость до 42 км/ч, а на воде с грузом 10т — до 10,6 км/ч. ПТ-С долгие годы выпускался на Луганском тепловозостроительном заводе (ЛТЗ), получая необходимые агрегаты шасси с КМЗ.

Тягач АТС-59 на параде в Хельсинки. Лето 1976 года

АТС-59 в одной из частей Финской армии. Лето 1985 года

АТС-59 показал себя в эксплуатации достаточно надежным и работоспособным тягачом. Наработка на одну неисправность за гарантийный пробег (6000 км без ограничений по времени) составляла в среднем 400 км.

Годовой пробег тягачей достигал 3600...4150 км (по пескам в Туркестанском военном округе — даже до 6000 км). Поэтому АТС-59 быстро получил признание как в армии — в качестве артиллерийского тягача и шасси под монтаж различных установок, так и в народном хозяйстве — при освоении отдаленных районов Сибири и Дальнего Востока.

Производство этой машины было также организовано по лицензии в Польше (консультант от КМЗ — Н А.Алексеев). Гражданские организации СССР чаще всего получали эти тягачи именно оттуда; внешне они несколько отличались от отечественных. Позже на базе АТС-59 поляки создали свой вариант — «Мазур» (с шестиместной кабиной) и, в свою очередь, предложили его Советскому Союзу. Межправительственная комиссия провела сравнительные испытания АТС-59 и «Мазуров» (по три машины) в районе г.Борисова (Белоруссия). По всем показателям АТС-59 оказался лучше.

На КМЗ этот тягач выпускался до 1968 года, причем последний год параллельно с первыми БМП-1. Заканчивал его сопровождение ведущий конструктор по серии А.П.Юмашев (Д.З.Релин к тому времени стал главным конструктором по тягачам). Длительной эксплуатации тягачей АТС-59 способствовало также проведение высококачественного капитального ремонта, который организовали на рижском военном заводе (ЦЗРАТ) № 29.

После списания из армии тягачи АТС-59Г успешно эксплуатировались в народном хозяйстве. Полярный Урал, станция «110-й км», ноябрь 1979 года

Явная теснота и неудобство двухместной кабины АТС-59 довольно быстро поставили вопрос о ее расширении с одновременным улучшением условий жизнедеятельности экипажа, увеличенного до 6 — 7 человек. Надо было снова возвращаться к двойной, но уже бескапотной кабине, максимально смещенной вперед, с лучшей эргономикой и соответствующей современным требованиям. В ней предполагалось достаточно удобно и рационально разместить под одной крышей не только водителя и командира, но и основной орудийный расчет, как это было ранее на АТ-С. Кроме нелишнего в суровых полевых условиях комфорта, это облегчало и взаимосвязь командира с расчетом.

Однако к разработке такой кабины на КМЗ вернулись лишь в конце 1962 года, после полного освоения производства АТС-59. Для нового тягача АТС-59Г (изделие «668») была спроектирована (ведущий конструктор Г.И.Авдеев) просторная цельнометаллическая шестиместная закрытая кабина, установленная перед двигателем над силовой передачей вплотную к бамперу. Проход к переднему ряду сидений (4 места) и к двум задним откидным осуществлялся через две передние двери. Последняя имела откидные боковые стекла. Три передних ветровых стекла (среднее было открывающимся) снабжались стеклоочистителями и омывателями с пневмоприводом.

Кабина оборудовалась более мощной, чем АТС-59, системой отопления и была герметизирована для возможности создания в ней избыточного давления очищенного воздуха с помощью специального нагнетателя. В заднем отсеке кабины еще оставалось достаточно места для размещения радиостанции, прицелов, воздушных баллонов и др. На крыше кабины, над сиденьем командира, находился люк. Применение новой кабины потребовало ввести некоторые изменения в приводы управления двигателем и трансмиссией, попутно обновили и светотехнику. В частности, появились светомаскировочные устройства на фарах, а также плафон освещения платформы, передняя поворотная фара-искатель, фонарь освещения тягово-сцепного устройства.

Из-за увеличившихся габаритов кабины внутренние размеры платформы несколько сократились: полная длина теперь составляла 3380 мм (до мотоотсека — 2174 мм), ширина — 2440 мм. На платформе устанавливались откидные сиденья для 12 человек. Ее погрузочная высота возросла до 1270 мм; высота расположения тягово-сцепного устройства — 820 мм. Одновременно стала больше и высота тягача — по кабине и по тенту. Неизбежно увеличилась и масса машины. Но показатели динамики, проходимости, маневренности, расхода топлива и тяговые свойства остались прежними. Сохранились и все основные агрегаты двигательной установки, трансмиссии и ходовой части. Были приняты меры для улучшения эксплуатационных возможностей новой машины в тяжелых зимних условиях. В частности, ввели объединенную систему охлаждения двигателя, более эффективного предпускового подогрева его и агрегатов трансмиссии.