Доработанные два образца в 1951 — 1952 годах успешно прошли войсковые испытания в Арктике, в условиях низких температур, а в Туркмении — при высоких температурах, с большим содержанием пыли в воздухе. При этом комбинированные воздухоочистители с эжекционным отсосом пыли из циклонов надежно защищали двигатель от повышенного износа. Средняя скорость движения с полной нагрузкой и 6-тонным прицепом по бездорожью достигала 22 — 25 км/ч, что почти вдвое превышало полученную на М-2 — в первую очередь, за счет более совершенных трансмиссии и подвески при незначительно большей удельной мощности. Характерно, что приблизительно такую же подвижность в аналогичных условиях имели и тягачи АТ-С и АТ-Т — при более высокой удельной мощности, но менее эффективной трансмиссии и механизме поворота. Этот факт еще раз подтвердил правильность и дальновидность выбранного спецотделом ХТЗ направления на дальнейшее совершенствование именно этих узлов, даже ценой их неизбежного усложнения и повышения трудоемкости изготовления. В конечном счете, это себя оправдывало, особенно при отсутствии больших запасов мощности.
Тяговые свойства нового тягача были также достаточно высокими: подъем по твердому грунту с максимальным грузом и прицепом — до 25°, а предельная свободная сила тяги на крюке (6310 кгс) при полной массе ограничивалась уже не двигателем, как на М-2, а сцеплением с грунтом (по двигателю сила тяги с грузом теоретически могла бы достигать 7028 кгс). По этой причине, особенно при неумелом управлении, легкий тягач со сравнительно узкими гусеницами был склонен зарываться в сыпучий песок, впрочем, как и некоторые другие быстроходные гусеничные машины.
В конце 1952 года ХТЗ выпустил первую промышленную партию новых арттягачей, получивших армейский индекс АТ-Л (легкий). Они были приняты на снабжение артиллерийских частей средних калибров, вооруженных, кроме ранее выпущенных, новыми 122-мм пушками Д-74, 122-мм гаубицами Д-30, корпусными 152-мм пушками-гаубицами Д-20, зенитными 57-мм пушками С-60 и 85-мм пушками КС-18А. В перегрузку тягачи АТ-Л могли буксировать прицепы массой 8 т.
На шасси АТ-Л были созданы и приняты на вооружение изделия «23», «27» и «39» (без грузовых платформ, тяговосцепных устройств, пневмосистем тормозов и лебедок), предназначенные для монтажа кузовов и специальных установок, в том числе РЛС и автоматического топопривязчика. На базе АТ-Л строился колейный мостоукладчик КММ.
В войсках тягач АТ-Л быстро получил широкое распространение. Однако в процессе его массовой эксплуатации выявились недопустимые вибрации и поломки тонкостенных бортов корпуса в местах крепления опор поддерживающих роликов, воспринимающих большие ударные и резонансные нагрузки верхних ветвей гусениц — при возросших скоростях движения они порой достигали нескольких тонн. Это поставило конструкторов перед дилеммой: усилить и тем самым заметно утяжелить корпус и ходовую часть без гарантии успеха или перейти на новую, с пятью мощными обрезиненными опорными катками большого диаметра (700 мм) без поддерживающих роликов. Пошли вторым путем, хотя в результате увеличивалась собственная масса машины, повышалось пиковое удельное давление на грунт (правда, в среднем оно было сравнительно низким и еще имело запасы по проходимости), снизилось и сопротивление качению, особенно при движении по рыхлому грунту. Надо заметить, что с непропорционально большими и некрасивыми опорными катками небольшая машина уже не выглядела столь гармонично, как прежняя.
Тягач АТ-Л с зенитной пушкой С-60 во Вьетнаме. Судя по фото, подход вьетнамцев к маскировке боевой техники был весьма серьезным
Диаметр рабочей части торсионов увеличили до 33 мм, а полный ход подвески пришлось уменьшить на 31 мм. Заодно, по договоренности с заказчиком, была проведена назревшая модернизация тягача. Применили форсированный двигатель ЯАЗ-204К (130 л.с., гарантированный моторесурс 600 ч, фактический — до 700) с более совершенным предпусковым подогревателем, изменили установку и повысили емкость топливных баков (до 150 л каждый, что увеличило запас хода до 500 км), более удобно разместили усовершенствованную лебедку с выводными роликами, позволяющими отклонять трос до 45° в любую сторону. На основании положительного опыта тракторостроителей вместо резиновых манжет использовали весьма надежные и долговечные торцевые уплотнения «сталь — по стали» для подшипников опорных катков и бортовых передач с переводом первых на жидкую смазку, что навсегда решило вечную проблему грязестойкости и пылезащиты. Одновременно сделали более жестким крепление мостиков системы управления МПП. Высоту бортов довели до 700 мм, грузовую платформу удлинили на 10%. Удалось облегчить и обслуживание машины.