Осенью 1943 года тяжёлый танк КВ-1с (о нём – ТуТ) был снят с производства в пользу более мощного и совершенного ИС-1. В связи с этим пришлось снимать с производства и довольно удачную самоходку СУ-152, созданную на базе танков КВ. Однако поскольку шасси КВ и ИС были конструктивно довольно сходны, появилась возможность создания, артсамохода уже на базе нового тяжелого танка.
При разработке установка получила заводское обозначение «объект 241». Ведущим конструктором был назначен Г. Н. Москвин. Общее же руководство осуществлял заместитель наркома танковой промышленности СССР, главный конструктор Челябинского тракторного завода Жозеф Яковлевич Котин.
Опытный образец изготовили к середине октября. В течение нескольких недель артсамоход проходил испытания на НИБТ Полигоне в Кубинке и АНИОПе в Гороховце, а 6 ноября 1943 года постановлением ГКО он был принят на вооружение под обозначением ИСУ-152, и в декабре началось серийное производство новой САУ.
Компоновка ИСУ-152 принципиальными новшествами не отличалась. Боевая рубка, изготовленная из катаных броневых листов, устанавливалась в передней части корпуса, объединяя в один объем отделения управления и боевое. Моторно-трансмиссионное отделение находилось в кормовой части корпуса. Носовая часть корпуса на установках первых выпусков изготавливалась литой, на машинах последних выпусков имела сварную конструкцию. Количество и размещение членов экипажа были такими же, как и у СУ-152. Если экипаж состоял из четырех человек, то обязанности заряжающего выполнял замковый. Для посадки экипажа в крыше рубки имелись два круглых люка в передней части и один прямоугольный в кормовой. Все люки закрывались двухстворчатыми крышками, в верхних створках которых были установлены приборы наблюдения МК-4. В лобовом листе рубки располагался смотровой лючок механика-водителя, закрывавшийся броневой пробкой со стеклоблоком и смотровой щелью.

Экипаж ИСУ-152 состоял из пяти человек. Командиры самоходок и механики-водители, как правило, были лейтенантами или младшими лейтенантами. Остальные члены экипажа по штатному расписанию были сержантского или рядового состава.

Конструкция боевой рубки ИСУ-152 принципиальным изменениям не подверглась. Из-за меньшей ширины танка ИС, по сравнению с KB, пришлось уменьшить наклон бортовых листов с 25° до 15° к вертикали, а наклон кормового листа ликвидировать вовсе. Толщина брони при этом возросла с 75 до 90 мм у лобового листа рубки и с 60 до 75 мм у бортовых. Маска пушки имела толщину 60 мм, а впоследствии была доведена до 100 мм.

Силовая установка и трансмиссия были заимствованы у танка ИС-1. На ИСУ-152 устанавливался 12-цилиндровый четырехтактный дизель В-2ИС (В-2-10) мощностью 520 л.с. при 2000 об/мин. Общая емкость трех топливных баков составляла 520 л. Еще 300 л перевозилось в трех наружных баках, не подключенных к системе питания. Подача топлива принудительная, с помощью 12-плунжерного топливного насоса высокого давления НК1.

 Ходовая часть ИСУ-152 применительно к одному борту состояла из шести сдвоенных литых опорных катков диаметром 550 мм и трех поддерживающих катков. Ведущие колеса заднего расположения имели два съемных зубчатых венца с 14-ю зубьями каждый. Направляющие колеса – литые, с кривошипным механизмом натяжения гусениц, взаимозаменяемые с опорными катками. Подвеска – индивидуальная торсионная. Гусеницы стальные, мелкозвенчатые, из 86 одногребневых траков каждая. Траки штампованные, шириной 650 мм и шагом 162 мм. Зацепление цевочное.

ИСУ-152 в зимнем камуфляже

Основное вооружение ИСУ-152 составляла 152,4-миллиметровая гаубица-пушка МЛ-20 с поршневым затвором и щелевым дульным тормозом. Она устанавливалась с помощью рамки в лобовой части броневой рубки со смещением к правому борту от продольной оси машины. Высота линии огня составляла 1800 мм. Для облегчения заряжания к люльке орудия был прикреплен лоток и поставлена дополнительная тяга к спусковому механизму. Кроме того, цапфы пушки-гаубицы были вынесены вперед. Углы вертикальной наводки составляли от -3 до +20 градусов, по горизонтали –  в секторе 10 градусов. Для стрельбы прямой наводкой применялся телескопический прицел СТ-10 с полунезависимой линией прицеливания, для ведения огня с закрытых огневых позиций –  панорама Герца с удлинителем, объектив которой выходил из рубки через открытый левый верхний люк. При стрельбе в ночных условиях шкалы прицела и панорамы, а также прицельная и орудийная стрелки подсвечивались электрическими лампочками прибора «Луч 5».
Боекомплект составлял 21 выстрел раздельного гильзового заряжания. Начальная скорость бронебойного снаряда при массе 48,78 кг составляла 600 м/с, осколочно-фугасного при массе 43.56 кг –  655 м/с. Бронебойный снаряд на дальности 1000 м пробивал броню толщиной 123 мм. С октября 1944 года на вращающемся погоне основания командирского люка стала устанавливаться зенитная турель с 12,7-мм пулеметом ДШК и коллиматорным прицелом К8-Т. Боекомплект к пулемету составлял 250 патронов. Кроме того, в боевом отделении укладывались два 7,62-мм пистолета-пулемета ППШ-41 с боекомплектом 1491 патрон (21 диск) и 20 ручных гранат Ф-1.

Боевое применение ИСУ-152

Главной боевой функцией ИСУ-152 была огневая поддержка наступающих танков и пехоты. Её осколочно-фугасные снаряды были весьма эффективны как против неукрытой пехоты (с установкой взрывателя на осколочное действие), так и против укреплений, таких как ДОТы и траншеи (с установкой взрывателя на фугасное действие). Одного попадания такого снаряда в обычный городской дом средних размеров было достаточно для уничтожения всего живого внутри.

ИСУ-152 были были незаменимы в уличных боях, таких как штурмы Будапешта Кёнигсберга и Берлина, Хорошее бронирование самоходки позволяло ей выдвигаться на дистанцию выстрела прямой наводкой для уничтожения вражеских огневых точек. Для обычной буксируемой артиллерии это было смертельно опасно из-за вражеского пулемётного и прицельного снайперского огня.

Чтобы уменьшить потери от огня фаустников, в городских боях ИСУ-152 использовались по одной-две самоходки вместе с пехотным отделением (штурмовой группой) для их защиты. Обычно штурмовая группа включала снайпера, автоматчиков и иногда ранцевого огнемётчика. Крупнокалиберный пулемёт ДШК на ИСУ-152 был эффективным оружием для уничтожения фаустников, скрывающихся на верхних этажах зданий, за завалами и баррикадами.

 ИСУ-152 могла также успешно выступать в роли истребителя танков, хотя существенно уступала специализированным истребителям танков, которые вооружались противотанковыми пушками. Для поражения бронецелей предназначался бронебойный снаряд БР-540 массой 48,9 кг. Раздельное заряжание резко снижало темп огня до 1—2 выстрелов в минуту, но попадание БР-540 в цель было очень разрушительным, шанс уцелеть после него был ничтожно мал. Против танков мог использоваться и осколочно-фугасный снаряд ОФ-540 - кинетическая энергия такого снаряда была столь высока, что зачастую при попадании он срывал баню вражеского танка.

Правда, в 1944-45 годах в Красной армии уже появилось достаточное количество специализированных истребителей танков типов СУ-85, СУ-100 и ИСУ-122, поэтому боевые столкновения ИСУ-152 с вражеской бронетехникой были уже не такими частыми, как у СУ-152 в 1943 году, когда последняя была единственным советским мощным противотанковым средством. ИСУ-152 старались больше использовать в качестве штурмового орудия, поскольку её огневая мощь существенно превосходила любые другие советские танки и САУ.

 После второй мировой войны, ИСУ-152 использовались при подавлении Венгерского восстания 1956 года, где они ещё раз подтвердили свою огромную разрушительную мощь. Особенно эффективным было использование ИСУ-152 в роли мощнейшей «противоснайперской винтовки» для уничтожения скрывавшихся в жилых домах Будапешта снайперов повстанцев, наносивших значительный урон советским войскам. Иной раз только наличия самоходки поблизости было достаточно, чтобы обитатели дома в страхе за свою жизнь и имущество выдворяли из него засевших там снайперов или бутылкометателей.