В 1962-1967 гг. Chevrolet Nova была не самостоятельной моделью, а улучшенной модификацией компактного автомобиля Chevy II. В 1968 г. она стала единственной серией в компактной линейке Chevrolet, но в течение этого года её по привычке называли Chevy II Nova, пока в 1969 г. она не получила официальное название Chevrolet Nova. В этом поколении автомобиль был основан на платформе X-body с колёсной базой 111" (2819 мм) и имел несущий кузов с отдельным передним подрамником, как у Chevrolet Camaro. К подрамнику крепились двигатель, трансмиссия и независимая передняя подвеска на пружинах со стабилизатором поперечной устойчивости. Сзади устанавливался ведущий мост на продольных полуэллиптических рессорах. Дизайн Chevrolet Nova соответствовал спортивной моде конца 60-х гг.: длинный капот, короткий багажник, изогнутые задние крылья, сужающиеся книзу боковины, утопленное заднее стекло и горизонтальная решётка радиатора на всю ширину кузова с одинарными круглыми фарами в квадратных ячейках. Выбор кузовов был небольшим: 2-дверное купе (с боковой стойкой крыши) и 4-дверный седан.

На стандартную Chevrolet Nova устанавливались пять силовых агрегатов: 2.5-литровый рядный 4-цилиндровый Super-Thrift 153 мощностью 90 л.с., 3.8-литровый рядный 6-цилиндровый Turbo-Thrift 230 мощностью 140 л.с., 4.1-литровый рядный 6-цилиндровый Turbo-Thrift 250 мощностью 155 л.с., 5-литровый V8 307 мощностью 200 л.с. и 5.4-литровый V8 327 мощностью 275 л.с. Они поставлялись в комплекте с 3-ступенчатой механической коробкой передач, 2-ступенчатой автоматической Powerglide и её удешевлённой полуавтоматической версии Torque-Drive с ручным переключением, но без сцепления. В список опций входили усилитель руля, усилитель тормозов, электрические стеклоподъёмники, кондиционер и многое другое. С 1969 г. в стандартное оборудование входили плечевые ремни безопасности, подголовники и замок зажигания на рулевой колонке.

Chevrolet Nova SS была одним из самых маленьких muscle-каров на американском рынке, но это являлось её преимуществом, поскольку сочетание мощного двигателя и лёгкого кузова гарантировало отличную динамику. В начальном пакете SS 350 стоимостью всего $312 она имела 5.7-литровый двигатель V8 Turbo-Fire 350 с 4-камерным карбюратором и двойным выхлопом, мощностью 295 л.с., сверхпрочную подвеску, шины с красными полосками, чёрную решётку радиатора и декоративные воздухозаборники на капоте. За дополнительную плату в размере $348 была доступна версия SS 396 с 6.5-литровым мотором V8 Turbo-Jet 396 мощностью 350 или 375 л.с. На выбор предлагались 3-х или 4-ступенчатая механическая коробка передач с рычагом на полу или 2-ступенчатая автоматическая трансмиссия Powerglide (для SS 396 - 3-ступенчатая автоматическая THM-400). Ещё на Nova SS можно было заказать передние дисковые тормоза (с 1969 г. - стандартные), легкосплавные колёса Rally, самоблокирующийся дифференциал Positraction, полный набор датчиков и отдельные ковшеобразные сиденья. В 1968 г. было произведено свыше 200000 единиц модели Nova, но из них на модификация Nova SS приходилось только 17564 единицы. 

Фирма Yenko Super Cars из Кэнонсбурга (Пенсильвания) неофициально продавала небольшие автомобили Chevrolet с 7-литровым двигателем V8 427 (L72) мощностью 425 л.с., заказывая их через систему COPO (Central Office Production Order) или самостоятельно собирая из заводских запчастей. В 1969 г. она предлагала модификацию Yenko/SC (SC - "Supercar") для трёх серийных моделей: Camaro, Chevelle и Nova. Последняя из них была самой экстремальной, и даже сам Дон Йенко называл её "практически смертельной". Несмотря на усиленную раму и более жёсткую подвеску, управлять этой машиной было очень сложно. Как и старшие модели, её можно было заказать с 4-ступенчатой механической коробкой передач Muncie M21 с рычагом Hurst или с 3-ступенчатой автоматической трансмиссией Turbo Hydra-Matic 400. Заплатив за такую Nova $4000, клиент даже не мог сертифицировать её для езды по дорогам общего пользования, потому что никто не хотел её страховать. В результате Йенко продал всего 37 экземпляров Chevrolet Nova Yenko/SC. 

Chevrolet Nova мало изменялась из года в год, но некоторые улучшения всё же вносились. В 1969 г. 5.7-литровый мотор V8 350 мощностью 255 л.с. заменил V8 327 на базовой версии, а в модификации Nova SS его мощность выросла до 300 л.с. В качестве альтернативы 2-ступенчатой трансмиссии Powerglide была предложена новая 3-ступенчатая автоматическая коробка передач THM-350. Продажи модели упали почти вдвое, до 106200 единиц, но в 1970 г. снова выросли до 254200 единиц, в том числе 19558 единиц в пакете SS. Самый большой, 6.5-литровый двигатель V8 396 в 1970 г. был заменён 6.6-литровым V8 402 той же мощности (350 или 375 л.с.), но соответствующая модификация по-прежнему обозначалась SS 396. В 1971 г. она исчезла, и вся линейка сократилась до трёх моторов: базового 4.1-литрового 6-цилиндрового мощностью 145 л.с., 5-литрового V8 307 мощностью 200 л.с. и 5.7-литрового V8 350 мощностью 248 или 274 л.с. (в пакете SS 350). В 1972 г. показатели мощности были пересчитаны по методу SAE Net. Реальные цифры составили 110 л.с. для 6-цилиндрового двигателя, 130 л.с. для V8 307 и 165 или 200 л.с. для V8 350.

В 1971 г. популярность версии Nova SS снизилась: её заказали 7015 покупателей из 194878, выбравших модель Nova. Отчасти это объяснялось введением пакета внешней отделки Rally Nova, в котором стандартная Chevrolet Nova имела гоночные полоски, диски Rally, усиленную заднюю подвеску и спортивные зеркала в цвет кузова. 1972-й год стал рекордным для этого поколения Chevrolet Nova: по его результатам было продано 349733 машины, включая 12309 единиц Nova SS. Но он же стал последним для Nova SS как самостоятельной модификации, потому что с 1973 г. Nova SS была доступна с любым двигателем отличалась от базовой модели только дисками и чёрной решёткой радиатора. Вместе с рестайлингом 1973 г. Chevrolet Nova получила ещё один тип кузова - 3-дверный хэтчбэк. В этот период у неё появились двойники Pontiac Ventura, Buick Apollo и Oldsmobile Omega, но на её продажах это не отразилось. Следующее поколение Chevrolet Nova на универсальной компактной платформе X-body поступило в продажу в 1975 г. 

В 1970 г. Йенко заказал через центральный офис (COPO) 175 экземпляров Chevrolet Nova, оснащённых 5.7-литровым двигателем V8 350 LT-1 (360 л.с.) от Camaro Z28, 4-ступенчатой механической коробкой передач Muncie M21 с рычагом Hurst или 3-ступенчатой автоматической THM-400, передними дисковыми тормозами и самоблокирующимся дифференциалом Positraction с отношением главной передачи 4.10:1. Снаружи они отличались от обычных Chevrolet Nova гоночными полосами на капоте, багажнике и боковинах с надписями "Yenko Deuce". Эти машины были уже не такими быстрыми, как Yenko/SC, но могли преодолевать четверть мили за 14 с. И главное - они не привлекали внимание страховых компаний, которые стали облагать muscle-кары с большими двигателями непомерными взносами.