В 1938 году Германия ввела закон об использовании низкооктанового топлива, из-за чего производство спортивных автомобилей почти остановилось. Однако Mercedes-Benz не был готов прекратить производство успешного спорткара, и на смену модели 290 пришел Mercedes-Benz 320. Сперва он снабжался рядным 6-цилиндровым двигателем мощностью 78 л. с. Но затем объем мотора W18 был увеличен до 3405 см³, что позволило, несмотря на применение низкооктанового бензина, сохранить мощность и скорость. Новый движок, получивший обозначение W142, шел в комплекте с 4-ступенчатой коробкой передач с дополнительной повышающей передачей. Версия с увеличенным объемом двигателя, получившая обозначение Mercedes-Benz 320A, производилась до 1942 года, когда плохие дела на фронте заставили прекратить ее выпуск.
Mercedes-Benz 320 был доступен в огромном количестве кузовов и с двумя вариантами колесной базы — 2880 и 3300 мм. Цена варьировалась от 6500 рейхсмарок за шасси без кузова до 14300 рейхсмарок за роскошный Stromlinien Limousine.