Двигатель основной части выпуска М-21 и ГАЗ-21 — это ЗМЗ-21/21А. Он представлял собой цельноалюминиевый верхнеклапанный нижневальный двигатель рабочим объёмом 2,445 л.

Использовались карбюраторы К-22И (на всех автомобилях первой и второй серий и на части третьей серии вплоть до конца 1960-х), К-105 (на небольшой части ранней третьей серии — 1962—1965 гг.) и К-124 (на поздней третьей серии), все однокамерного типа.

Мощность варьировалась от 70 л.с. и 80 л.с. (ранние модификации, обычная и экспортная комплектации) до 75 л.с. и 85 л.с. (поздние модификации) при ~4000 оборотах в минуту. Увеличение мощности на экспортных модификациях достигалось путём уменьшения высоты головки блока цилиндров при условии использования более высокооктанового топлива, доступного за рубежом.