Серийный выпуск ЗиУ-5 начался в 1959 году после успешных испытаний прототипа. Крупная партия (до 200 единиц) была отправлена в московское троллейбусное депо № 2 для широкомасштабных испытаний в реальных условиях пассажирской эксплуатации. По результатам этих испытаний при активном участии работников депо завод имени Урицкого и производитель электрооборудования, московский завод «Динамо», устранили наиболее явные изъяны новой конструкции. С 1961 года ЗиУ-5 полностью заместил на сборочных линиях предыдущую модель троллейбуса МТБ-82. В процессе производства в конструкцию ЗиУ-5 неоднократно вносились изменения (см. раздел Модификации), однако основные элементы конструкции машины были неизменны в течение всего периода выпуска.

На базе ЗиУ-5 была предпринята попытка построить машину среднего класса для замены в будущем всё ещё многочисленных тогда троллейбусов этого класса марки МТБ-82. Был построен прототип ЗиУ-7 с очень высокой степенью унификации по узлам и агрегатам с ЗиУ-5; в технической литературе того времени его даже заранее называли наиболее распространённым в СССР, наряду с ЗиУ-5 и МТБ-82. Однако ЗиУ-7 так и не вышел из стадии опытных образцов, а основные работы развернулись по проектированию нового троллейбуса, призванного заменить в производстве сам ЗиУ-5.

В 1971 году прототип такой машины был успешно построен и в том же году, параллельно с ЗиУ-5, был начат её серийный выпуск под маркой ЗиУ-9. По сравнению с ЗиУ-5 ЗиУ-9 имел ряд преимуществ в производственном и технологическом плане, поэтому с 1972 года выпуск ЗиУ-5 был прекращён в пользу новых ЗиУ-9.

По данным известного российского историка автомобилестроения Льва Шугурова (каталог автотранспортной продукции СССР) всего было выпущено свыше 20000 троллейбусов ЗиУ-5, однако максимально известный номер на заводской табличке находился в диапазоне 16000—17000. Поскольку архивы АО «Тролза» являются закрытыми для широкого доступа, точная цифра выпущенных ЗиУ-5 пока остаётся неизвестной.