Широкое использование в качестве базы агрегатов танка Т-34 и гаубицы М-30 позволило изготовить самоход быстро и сравнительно легко. Серийные агрегаты танка и орудия были достаточно надежны, поэтому с отладкой машины и ее эксплуатацией особых трудностей не возникало. Однако в целом конструкция СУ-122 имела ряд недостатков:
1) размеры боевого отделения, не обеспечивающие удовлетворительных условий для работы экипажа;
2) верхний станок и постамент, на котором было установлено орудие, занимали очень большой объем в боевом отделении;
3) длинный откат орудия также сильно уменьшал полезный объем боевого отделения. Расположение противооткатных устройств впереди корпуса САУ ухудшало обзор механику-водителю машины;
4) сложность формы бронезащиты орудия из-за несовпадения центров вращения бронировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях, недостаточная надежность крепления бронировки к люльке орудия, имеющей толщину всего 4 мм;
5) люк водителя предназначался только для обзора; поэтому занять свое рабочее место ему было очень непросто — через люки в крыше боевого отделения. Это становилось опасным при необходимости аварийно покинуть машину;
6) применение верхнего станка от гаубицы М-30 вызывало значительные его переделки, сопоставимые по трудоемкости с изготовлением нового станка;
Опытная САУ СУ-122М со 122-мм гаубицей Д-11 в заводском цеху. Апрель 1943 года.
Установка 122-мм гаубицы в рамке.
7) большие технологические затруднения при монтаже орудия, особенно его бронировки, что вызывало ряд пригоночных работ при сборке и в целом требовало больших трудозатрат.
Учитывая все это, КБ Уралмашзавода параллельно с разработкой чертежей серийной самоходной установки еще в январе 1943 года приступил к ее кардинальному улучшению. В результате было установлено, что лучшим решением является установка гаубицы в рубке САУ не на тумбе, а в рамке. Крепление орудия к лобовому листу корпуса значительно увеличивало полезный объем боевого отделения. Для получения большей компактности установки вооружения длину отката орудия надо было уменьшить с 1100 до 600 мм. Короче, требовалось новое орудие, специально приспособленное для размещения на артсамоходе, и оно быстро нашлось. Дело в том, что артиллерийское производство Уралмашзавода еще в конце 1941 года осуществило разработку и изготовление опытного образца 122-мм танковой гаубицы У-11. Ее применение в боевом отделении танка (или САУ) имело определенные преимущества. Так, наведением гаубицы У-11 занимался один номер расчета; клиновой затвор давал значительный выигрыш в скорострельности, а уменьшенная длина отката облегчала компоновку боевого отделения.
В апреле 1942 года завод № 9 НКВ изготовил серию из 10 танковых гаубиц У-11. В опытном порядке их устанавливали на танки КВ-9, ИС-2 (пятикатковый) и др. Весной 1943 года для этой гаубицы разработали установку в рамке с креплением к лобовой броне, и она получила индекс Д-11.
Спустя год, в апреле 1943-го опытная САУ под обозначением СУ-122М была изготовлена. Ее конструкция имела ряд преимуществ по сравнению с СУ-122. Боевое отделение увеличилось за счет расширения стенок до габаритов гусеницы и увеличения высоты корпуса на 50 мм. Гаубица Д-11 устанавливалась вместе с люлькой в рамке, вращающейся в цапфах и прикрепленной только к лобовому листу без связи с днищем и бортами. Орудие было самоуравновешено в цапфах и устанавливалось со смещением назад, что улучшало условия работы передних опорных катков ходовой части. По рекомендации ГАУ для более эффективной стрельбы прямой наводкой предусматривался телескопический прицел. Уменьшение длины противооткатных устройств и рамочная конструкция установки орудия в трубообразной люльке позволяли изготовить упрощенную шаровую маску; к тому же она более надежно защищала орудие, а ее монтаж вместо 17—18 часов занимал всего 1 — 2. Количество литых деталей при этом уменьшалось в три раза.
Государственные испытания СУ-122М стрельбой (329 выстрелов) проводились с 18 по 23 июня 1943 года на полигоне около Нижнего Тагила. Ходовые испытания — на трассах Свердловск — Нижний Тагил и Свердловск — Челябинск, всего — 858 км. Государственная комиссия под председательством генерал-майора танковых войск Огурцова признала необходимым внести в конструкцию ряд изменений для ее дальнейшего улучшения, но в общей оценке вынесла заключение, что «самоход может быть принят на вооружение самоходных артиллерийских частей Красной Армии».