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Der Mercedes-Benz 320 ist eine Weiterentwicklung des Typs 290 (W 18), der von 1933 bis 1936 angeboten wird. Dessen Motor M 18 bietet die bescheidene Motorleistung von zuletzt 68 PS (50 kW), die nur bedächtige Fahrleistungen ermöglicht. Bei der Überarbeitung des Motors für den Nachfolger stehen hohe Laufkultur und eine deutlich größere Motorleistung im Vordergrund, die zu erzielen sind, ohne das Konzept des seitengesteuerten Sechszylindermotors mit stehenden Ventilen zu verlassen.
Um die Motorleistung anzuheben, greifen die Untertürkheimer Motorenkonstrukteure unter Albert Heeß zu bekannten Methoden. Durch die Erweiterung der Bohrung von 78 auf 82,5 Millimeter wird der Hubraum von 2,9 Liter auf 3,2 Liter Hubraum erhöht. Um die Laufkultur des Motors weiter zu verbessern, wird die Kurbelwelle mit 12 Gegengewichten ausgestattet – eine Maßnahme mit durchschlagendem Erfolg. Ein weiterer Schritt zu mehr Leistung ist der Übergang von einem einfachen Steigstromvergaser zu einem Doppel-Fallstromvergaser. Aufgrund aller Maßnahmen steigt die Leistung auf 78 PS (57 kW). Der Fallstromvergaser führt außerdem zu einer spontaneren Gasannahme beim Beschleunigen.
Mit dem Übergang der Baureihe W 18 zur Baureihe W 142 erfolgt auch hier die Abkehr von den bisherigen Viergang-Getrieben, die eigentlich Dreigang-Getriebe mit einem nachgeschalteten Schnellgang sind, zu einem vollsynchronisierten Viergang-Getriebe mit einem direkt übersetzten vierten Gang – ein Getriebe, das in zeitgenössischen Urteilen wegen seines Schaltkomforts allgemeinen Beifall findet.
Das Fahrwerk wird komplett von der Baureihe W 18 übernommen und neu abgestimmt. Vorne besteht die Aufhängung der Räder aus einer besonderen Einzelradaufhängung, unten mit einer quer liegenden Blattfeder. Oben ist das Rad an einem Lenker befestigt, der sich innen auf eine Spiralfeder abstützt. Die hintere Zweigelenk-Pendelachse hat auf jeder Seite zwei hintereinander liegende Spiralfedern. Die unter dem Differenzial liegenden zwei Ausgleichsfedern im Typ 290 hat der Typ 320 nicht mehr. An Vorder- und Hinterachse sind je ein doppelt wirkender hydraulischer Hebelstoßdämpfer angebracht. Fahrkomfort und Fahrsicherheit des Fahrwerks werden von zeitgenössischen Testern sehr gelobt, zu einer Zeit, als viele Wettbewerber noch mit vorderen und hinteren Starrachsen unterwegs sind. Der Kastenrahmen mit Quertraversen entspricht damaliger Standardbauweise.
Mercedes-Benz bietet bei der Premiere des Typs 320 eine große Vielfalt von Karosserievarianten an. Die Version mit kurzem Radstand wird als Typ 320 n bezeichnet. Eine Besonderheit ist das darauf aufbauende sogenannte Kombinations-Coupé: ein Cabriolet mit einer frühen Ausgabe eines abnehmbaren Hardtops. Allerdings kann jeweils nur mit einer Dachversion gefahren werden, die andere muss in der Garage bleiben. Der Typ 320 n ist gedacht als kurze und sportlich-elegante Variante der Baureihe, ähnlich wie sechs Jahre zuvor der Typ Mannheim 370 S. Ungeachtet seiner sehr schön gezeichneten Karosserien erfüllt der 320 n wohl nicht die in ihn gesetzten Erwartungen, denn zwischen 1937 und 1938 werden nur 19 Exemplare im Werk Untertürkheim gebaut. In der Preisliste von Februar 1939 ist er nicht mehr enthalten. Auf dem verstärkten Chassis gleicher Abmessungen werden 1938 dann 202 Kübelwagen für die Wehrmacht gebaut.
Erfolgreich ist die Version mit langem Radstand. Die viertürige Limousine sowie das Cabriolet B und Cabriolet D haben von außen zugängliche Kofferräume. Die Kofferräume von Cabriolet A, Kombinations-Coupé sowie Roadster sind von innen zu beladen. Pullman-Limousine, Cabriolet F und Offener Tourenwagen haben keine Kofferräume. Das Gepäck wird auf einer ausklappbaren Gepäckbrücke untergebracht.

Die letzten Fahrzeuge des Mercedes-Benz Typ 320 werden 1942 gebaut, er entsteht in den Werken Untertürkheim und Mannheim. Die Produktion beträgt zwischen 1937 und 1942 insgesamt 6861 Fahrzeuge, davon 1764 Kübelsitzwagen für die Wehrmacht.