Tại phiên họp ngày 15 tháng 4 năm 1942 của Hội đồng pháo binh; ý kiến về việc phát triển loại pháo công kích nhằm hỗ trợ cho bộ binh đã được đề cập; đồng thời lúc đó Liên Xô cũng nhận thức được tầm quan trọng của những pháo công kích có khả năng tiêu diệt các công sự vững chắc của đối phương. Những khẩu pháo công kích này dự tính sẽ mang nòng pháo cỡ 152,4 ly và được dùng để chọc thủng các phòng tuyến của quân phát xít trong các đợt tấn công trong năm 1942-43. Kết quả của quá trình phát triển loại pháo này là Kế hoạch 236, sau cùng là SU-152 - loại pháo tự hành mà về sau phát triển thành ISU-152.

ISU-152 có thiết kế tương tự như các pháo tự hành Xô Viết khác - ngoại trừ SU-76. Thân xe bọc giáp hoàn toàn và được chia làm hai phần: khoang tác chiến là chỗ ngồi của kíp lái, nơi đặt súng và đạn dược, nằm ở phía trước; khoang động cơ và hệ thống truyền động ở phía sau. Pháo được đặt ở trung tâm của xe, hơi nhích về bên phải 12 độ. Kíp lái khoảng 4-5 người với 3 người ở bên trái pháo chính (lái xe ở phía trước, ở giữa là pháo thủ và sau cùng là người nạp đạn), còn xa trưởng và người phụ trách khóa nòng thì ở bên phải xe (xa trưởng ở phía trước người phụ trách khóa nòng). Trong trường hợp kíp lái có bốn người, người phụ trách khóa nòng sẽ kiêm luôn vai trò nạp đạn.

Hệ thống treo của ISU-152 bao gồm 12 thanh xoắn dùng cho 6 bánh xe ở mỗi bên. Bánh răng truyền động đặt ở phía sau, và bánh xe dẫn hướng có hình dạng giống hệt như bánh xe chạy trên đường. Mỗi dây xích gồm 90 mắt xích. Có 3 khoang nhiên liệu nằm ở bên trong pháo, trong đó 2 khoang ở khu vực dành cho kíp lái và 1 khoang ở khu vực dành cho động cơ. Ngoài ra, ISU-152 cũng có thêm 4 khoang nhiên liệu độc lập được đặt bên ngoài pháo. Nguồn điện 12 và 24 vôn được cung cấp từ một thiết bị phát điện công suất 1 kW nạp cho 4 ắc quy.

Để tổ lái có thể quan sát từ phía trong, mỗi cửa sập của ISU-152 đều được trang bị kính tiềm vọng, đồng thời ISU-152 cũng được trang bị 2 thiết bị ngắm bắn: một kính ngắm quang học ST-10 và một kính ngắm toàn cảnh. Hệ thống điện thoại nội bộ TPU-4-BisF được trang bị để liên lạc giữa mỗi thành viên trong tổ lái, và một bộ đàm sóng vô tuyến 10R hay 10RK được dùng để liên lạc với tổ lái của các xe khác. Các thiết bị này rõ ràng tân tiến hơn so với đầu chiến tranh, mặc dù vẫn còn thua kém so với địch thủ Đức.

Để tự vệ và tác chiến tầm gần, tổ lái được cung cấp hai khẩu súng tiểu liên cỡ nhỏ PPSh-41 với cơ số đạn 1491 viên cùng 20 lựu đạn F1.

Pháo chính của ISU-152 giống như SU-152, còn thân xe của ISU-152 là thân của xe tăng IS-1 thay cho KV-1S. Về sau ISU-152 được nâng cấp thêm: nó sử dụng thân xe của IS-2 hoặc IS-2 mẫu 1944; giáp trụ được tăng cường; pháo chính được thay thế bằng loại mới hơn; một khẩu đại liên phòng không a 12,7 x 108 ly DShK được gắn trên cửa sập ở phía trước; cơ số đạn và số nhiên liệu chứa trong xe cũng tăng lên; hệ thống bộ đàm 10R được nâng cấp thành phiên bản 10RK.

Một số pháo tự hành ISU-152 được lắp đặt những khoang nhiên liệu bên ngoài xe còn lớn hơn nữa, với hai khoang ở phía sau thân xe cộng với 4 khoang nhiên liệu bên ngoài (mỗi khoang tối đa 90 lít) hay với hai khoang nhiên liệu nhỏ hơn được lắp đặt bên ngoài phần đuôi thân xe. Những sự nâng cấp này có lẽ được thực thi đối với các phiên bản ISU-152 sau chiến tranh.

Giữa tháng 12 năm 1943 tới tháng 5 năm 1945, 1.885 pháo tự hành ISU-152 đã được sản xuất. Việc sản xuất đạt trà ISU-152 chấm dứt vào năm 1947, lúc đó tổng số lượng của nó đã là 3.242 khẩu.

Các phiên bản hiện đại hóa ISU-152 sau chiến tranh bao gồm một thiết bị nhìn đêm, thay thế động cơ V-2IS bằng V-54K, khẩu đại liên 12,7 ly được thay thế bằng phiên bản mới hơn, cơ số đạn tăng lên 30 viên, vỏ giáp được tăng cường, máy móc tự động được cải tiến và số nhiên liệu chứa trong pháo tăng lên rất đáng kể.[3][4]