Der 330 GT 2+2 Coupé wurde auf der jährlich vor Beginn der Motorsportsaison abgehaltenen Pressekonferenz des Hauses Ferrari im Januar 1964 vorgestellt und debütierte auf dem Automobilsalon in Brüssel gegen Ende des gleichen Monats. Er löste den 250 GTE 2+2 ab, dessen Produktion nach der Fertigung von 100 330 America-Modellen eingestellt wurde: optisch identisch mit dem 250 GTE, jedoch mit einem 4-Liter Triebwerk ausgestattet.

Wie bereits beim Vorgänger so stammte auch das Karosseriedesign des 330 GT 2+2 aus der Feder von Pininfarina. Der Wagen verfügte über eine abgeschrägte Scheinwerferanordnung mit sieben Zoll für die äußere Linse und fünf Zoll für die innere. Hierbei wurde das vom 400 Superamerica Superfast IV (Chassis 2207SA) bekannte Layout aufgegriffen. Damit bekam die Front des Wagens einen leicht amerikanischen Look, da Doppelscheinwerfer in diesen Jahren dort sehr beliebt waren.

Die Gesamterscheinung des Wagens war, abgesehen on den kantigen Scheinwerfereinfassungen, sanfter und runder geworden. Der Wagen hatte ein relativ rundes Heck, womit das Kofferraumvolumen vergrößert werden konnte. Am Heck saßen horizontal ausgerichtete, rechteckige Rückleuchten, die um die Ecken der Kotflügel herumreichten. Der Radstand wurde, im Vergleich zum Vorgängermodell, um 50 Millimeter verlängert. Dies, und ein neu gestaltetes Interieur, gab Passagieren im Fond mehr Bein- und Kopffreiheit, ohne dass dies auf Kosten der Vordersitze gegangen wäre. Für die Serie II wurde Mitte des Jahres 1965 die Front neu gestaltet. Die Doppelscheinwerfer wurden von Einfachscheinwerfern ersetzt, womit die Front derer des zur gleichen Zeit produzierten 275 GTS ähnelte. Gleichzeitig wurden auch die Borrani-Räder, die so lange zum Ferrari-Standard gehört hatten, durch geschmiedete Zehnloch-Stahlfelgen ersetzt, wobei die zentralen Naben erhalten blieben. Die Speichenfelgen gab es zudem weiterhin als Sonderausstattung im Angebot. Das Design mit elf Luftauslässen auf den Kotflügeln des 250 GTE wurde durch ein Dreierreihendesign abgelöst. Die Stoßstangen vorne und hinten erhielten Gummiabdeckungen. Auch im Inneren gab es einige Veränderungen zu beobachten: die Pedalerie war nun nicht mehr am Fahrzeugboden befestigt sondern hing; eine Mittelkonsole wurde zwischen Antriebstunnel und dem unteren Ende des Armaturenbretts, mit Veränderungen des Layouts des Schalthebels und der Luftauslässe, integriert. Die Karosserien wurden auf ein Chassis mit einem Radstand von 2.650 mm montiert und trugen die Werksbezeichnung 571 (Serie I) und 571/65 (Serie II). Alle waren in der Tradition des Hauses Ferrari bezüglich der Straßenwagenproduktion ungerade nummeriert: von 4963 bis 7533 die Modelle der Serie I und 7537 bis 10193 der Serie II. Gefertigt wurde der Wagen so, wie es zu dieser Zeit bei Ferrari Standard war: große ovale Hauptrohre mit beachtlichen Querverstrebungen; Unterbauten wurden an den Hauptrahmen geschweißt, um die Karosserie und die Zusatzausrüstung zu tragen. Das Modell hatte Einzelradaufhängung vorne und eine starre Hinterachse mit Blattfedern und Teleskopdämpfern, vier Scheibenbremsen mit zwei Hydraulikkreisläufen; es wurde links- und rechtsgesteuert angeboten und als Sonderausstattung gab es später auch eine Servolenkung.

Das 4-Liter V12-Triebwerk verfügte über eine obenliegende Nockenwelle pro Zylinderreihe und trug die Werksbezeichnung 209, später 209/66; der Hubraum lag bei 3.967 ccm mit Bohrung und Hub von 77 respektive 71 mm. Die Zündkerzen saßen an der Außenseite des V-Blocks. Zudem kamen drei Weber 40 DCZ/6 oder 40 DFI Doppelvergaser, eine Doppelspule und ein hinter dem Motor montiertes Zünd-Verteiler-system zum Einsatz. Die Leistung des Wagens wurde mit 300 PS angegeben. Das Triebwerk basierte auf dem von Colombo entwickelten Design des kurzen Motorblocks, war jedoch etwas länger als das Original, da die Bohrung vergrößert wurde.

Der Unterschied der Motortypennummern bezog sich auf die Befestigungspunkte: der 209 verfügte über vier, während der 209/66 zwei aufwies. Letzterer kam in der Chassis 08729 zum Einsatz. Der Motor in den meisten Wagen der Serie I war mit einem 4-Gang-Synchrongetriebe verbunden, das über einen elektronisch gesteuerten fünften Schnellgang verfügte. In den jüngeren Wagen der Serie I und denen der Serie II fand man ein 5-Gang-Synchrongetriebe sowie einen Achsantrieb über einen Schacht an die starre Hinterachse. Mit dem Übergang vom 4- zum 5-Gang-Getriebe wurde die Kupplung von mechanisch auf hydraulisch umgestellt. Der 330 GT 2+2 wurde von 1964 bis 1967 gefertigt und schließlich vom 365 GT 2+2 abgelöst. Insgesamt wurden 625 Wagen der Serie I und 474 der Series II produziert. Damit wurden von diesem Wagen mehr als vom Vorgänger, dem 250 GT 2+2, im gleichen Zeitraum verkauft. Das 2+2-Konzept hatte sich somit als beliebte Option etabliert.