ЗСУ-2Э-4В - модернизированный вариант. Повышена надежность различных узлов и агрегатов. Кожух системы вентиляции размещен на правом борту корпуса.
ЗСУ-2Э-4В-1 - модернизированный вариант. Повышена надежность различных узлов и агрегатов, в первую очередь РПК. Кожухи системы вентиляции размещены на лобовых скулах башни.
ЗСУ-2Э-4М «Бирюса» (1973 г.) - модернизированные автоматы 2А7М и пушка 2А10М. Пневмозарядка заменена пироза- рядкой. Сварные трубки отвода охлаждающей жидкости заменены гибкими трубопроводами.
ЗСУ-2Э-4МЗ - аппаратура опознавания «свой - чужой» («3» - запросчик).
ЭСУ-23-4 стали поступать в войска в 1965 году, и к началу 70-х полностью вытеснили ЗСУ-57-2 из подразделений ПВО. Первоначально танковому полку по штату полагался дивизион «шилок», который состоял из двух батарей по четыре машины. В конце 60-х годов часто одна батарея в дивизионе вооружалась «шилками», а другая - ЗСУ-57-2. Позже мотострелковые и танковые полки получили типовую зенитную батарею, куда входили два взвода. Один взвод имел четыре ЗСУ «Шилка», а другой - четыре самоходных ЗРК «Стрела-1» (затем ЗРК «Стрела-10»).
«Шилки» широко применялись Советской Армией в Афганистане. Причем в условиях отсутствия воздушных целей эта ЗСУ полностью реализовала и возможность вести огонь по наземным целям в горах. Появился специальный «афганский вариант» - за ненадобностью на нем демонтировали РПК, за счет чего удалось увеличить боекомплект до 4000 выстрелов. Был также установлен ночной прицел. Аналогично «шилки» используются Российской Армией и в Чечне.
ЭСУ-23-4 широко экспортировались в страны Варшавского договора, на Ближний Восток и другие регионы. Они принимали активное участие в арабо-израильских войнах, ирако-иранской войне, а также в войне в зоне Персидского залива в 1991 году.
По состоянию на 1995 год «шилки» состояли на вооружении в Алжире (210 единиц), Анголе, Афганистане, Болгарии, Венгрии (20), Вьетнаме, Египте (350), Индии, Иордании (16), Ираке, Иране, Йемене (40), КНДР, Кубе (36), Мозамбике, Польше, Перу (35), Сирии.
Наличие в армиях многих стран значительного количества ЗСУ- 23-4 и дороговизна более современных ЗСУ подталкивают различные КБ на разработку все новых и новых вариантов модернизации «Шилки». На выставке МАКС-99 в подмосковном Жуковском демонстрировалась ЗСУ-2Э-4М4. По бортам ее башни установлены по два спаренных ПЗРК «Игла», боевая машина дополнительно оснащена датчиками лазерного излучения, электрон- но-оптическими средствами наблюдения (в том числе телевизионным устройством обзора у механика-водителя). Взамен механической применена гидрообъемная трансмиссия, органы управления оснащены гидроусилителями. В результате подвижность «Шилки» доведена до уровня прикрываемых танков Т-72 и Т-80.