Rané závodní vozy Fiatu měly mnoho specifických vlastností, ale rozhodně nebyly řidičsky příjemné. Italští inženýři zjistili, že nejjednodušší cesta k úspěchu je zvyšování zdvihového objemu motorů. Zatímco byly vozy stále velké a silné, postupem času se dočkaly podrobných vylepšení. Tím se ze závodních Fiatů staly nejlepší automobily závodů Grand Prix v prvních dvou desetiletích dvacátého století.

Jedním z důvodů, proč závodní auta Fiatu dané doby poháněly mohutné motory, byla absence organizovaného silničního závodění v Evropě po Grand Prix Francie 1908. To přimělo Fiat k tomu, aby obrátil svou pozornost k pokusům o dosažení rychlostních rekordů a závodům do vrchu, než se později vrátil k pokračování konstrukce vozů pro velké ceny koncem roku 1909. Prvním z takových vozů byl typ S.61, který byl vyvinut v tom samém roce, ale poprvé závodil až o rok později.

Čtyřválcový motor použitý pro pohon S.61 navrhli bývalí inženýři značky Isotta Fraschini, jimiž byli Gaetano Stefanini a Giuseppe Coda. Použitím vrtání 130 milimetrů a zdvihu 190 milimetrů dosáhli zdvihového objemu přibližně 10 litrů. Motor byl však zajímavý i dalšími vlastnostmi, než jen svou velikostí. Využíval rozvod OHC se čtyřmi ventily na válec a k zažehnutí směsi sloužilo dvojité zapalování.

Masivní a sofistikovaný motor byl namontovaný v konvenčním ocelovém žebřinovém rámu. Čtyřrychlostní převodovka byla spojena se samostatnou skříní s ozubenými koly po obou stranách, která za pomoci velkých řetězů poháněla zadní kola. Na obou stranách zadní tuhé nápravy byly použity poloeliptické listové pružiny a brzdění obstarávaly dva ozubené pásy v převodovce, jež byly chlazeny kapalinou.

První vyrobené kusy Fiatu S.61 byly obléknuty do základní karoserie a odeslány do Spojených států amerických, protože na počátku druhého desetiletí dvacátého století nebyly vozy vhodné pro použití na evropských závodních tratích. Trojice exemplářů odstartovala v americké Grand Prix roku 1910 v Savannah, kde Felice Navarro stanovil nejrychlejší čas kola. Všechny kusy však musely později odstoupit kvůli technickým potížím a havárii. Přestože již byly ve vývoji nové vozy, Victor Heméry s S.61 zvítězil v závodě Grand Prix de France 1911 na trati v Le Mans.

V zimě na přelomu let 1910 a 1911 byl dokončen vývoj vozů S.74 Grand Prix a S.76, které byly poháněny 14,3 a 28,3 litrovými variantami šestnáctiventilového čtyřválce. Vyššího zdvihového objemu motoru bylo dosaženo vývrtem 190 milimetrů a dlouhého zdvihu 250 milimetrů, kvůli čemuž řidič koukal na cestu přes vysoký motor. V pozdní části roku 1911 absolvovala dvojice Fiatů S.76 zkušební jízdy v belgickém Ostende, kde ruský kníže Boris Soukhanov zaúkoloval amerického závodníka Arthura Duraye, aby se s jeho vozem pokusil dosáhnout pokud možno co nejvyšší maximální rychlosti. Duray následně dosáhl rychlosti až 213 kilometrů v hodině, s níž se Fiat S.76 neoficiálně stal nejrychlejším autem na planetě. Vůz si pro svou hrubou sílu později vysloužil přezdívku „Beast of Turin“.

Stejně jako u Fiatu S.61, i v případě typu S.74 byly první vyrobené exempláře odeslány do Spojených států, kde s nimi závodili místní jezdci. Řadil se k nim i David Bruce-Brown, který zvítězil v závodě v Savannah roku 1910. Vítězství zopakoval v roce 1911, tentokrát však za volantem nového Fiatu. V roce 1912 se po dlouhých čtyřech letech konala další French Grand Prix, na níž se opět stal hvězdou Bruce-Brown. Později byl ale diskvalifikován za doplňování paliva mimo zastávky v boxech. Další soutěžící S.74 se poté umístil na druhém místě za Peugeotem.

Krátce po francouzské Grand Prix roku 1912 byl v Evropě zavedený limit omezující zdvihový objem závodních vozů, který byl silnou čárou přes rozpočet italské značky. Fiat pokračoval v závodění na americkém území se značným úspěchem. Smutným okamžikem se stala tragická havárie Davida Bruce-Browna, který přišel o život ve svém S.74 při tréninku na americkou Grand Prix v Milwaukee v roce 1912. Caleb Bragg s druhým S.74 závod nejprve odmítl, ale později nastoupil na start a zvítězil.

Stejně jako mnoho dalších závodních automobilů té doby, i mnoho vysloužilých čtyřválcových Fiatů obléklo tradičnější karoserii a staly se běžnými silničními auty. Z S.61 a S.74 přežilo jen několik exemplářů. Dvojice nejvýkonnějších S.76 je v garáži britského nadšence Duncana Pittawaye, který zrestauroval první z vozů za použití některých originálních dílů.