Грузовики «ГАЗ-4301» комплектовались шестицилиндровыми 125-сильными дизельными двигателями воздушного охлаждения «ГАЗ-542 .10». Это был первый дизель, разработанный специалистами Горьковского автозавода. Для внедрения его в производство они воспользовались лицензионными технологиями немецкой фирмы «Дойтц».
Цилиндры данного мотора легкосъёмные, с наружным оребрением. Уплотнение масляной полости на стыке цилиндр-картер осуществляется медной прокладкой. Головки цилиндров — отдельные на каждый цилиндр, с наружным и внутренним оребрением для обеспечения охлаждения проходящим воздухом, со вставными чугунными сёдлами и направляющими втулками клапанов, с V-образно расположенными клапанами.
На поршнях располагаются три компрессионных и одно маслосъёмное кольца. Шатуны — с косым разъёмом нижней головки. Шатун окончательно обрабатывается вместе с крышкой, поэтому крышки шатунов не являются взаимозаменяемыми. Коленчатый вал — семиопорный, со съёмными противовесами. На двигателе установлен верхнеклапанный механизм газораспределения, с нижним расположением распределительного вала. Распредвалздесь семиопорный, на заднем конце которого располагается распределительная шестерня. С её помощью, через шестерни коленчатого вала, осуществляется привод вала распределительного.
Топливный насос высокого давления (ТНВД) — рядный, с механическим двухрежимным центробежным регулятором. Топливный насос низкого давления — поршневого типа. Топливноподкачивающий насос — плунжерный, с ручной подкачкой топлива. В двигателе «ГАЗ-542 .10» использованы форсунки закрытого типа, давление начала подъёма иглы составляет 22 МПа (220 кгс/см2).
Система охлаждения — воздушная, с шестерёнчатым приводом вентилятора через регулируемую гидромуфту. Для топливной системы предусмотрено два фильтра: грубой очистки (фильтр-отстойник с сетчатым элементом) и тонкой очистки (со сменными бумажными фильтрующими элементами). Воздушный фильтр двигателя установлен со сменным элементом и сигнализатором предельной наполненности.