Die 4-Liter Berlinetta-Rennwagen wurden den sich ändernden FIA-Regelungen entsprechend geplant. Die Karosserien der ersten beiden Versionen ähnelten derer des 250 GTO und wurden zeitweise sogar die „4-Liter GTOs“ genannt. Andere Modelle wurden in der Folge mit Pininfarina-Karosserien gefertigt, mit ähnlichem Styling wie das aus Turin, die dann aus einigen Winkeln dem 250 Lusso ähnelten, obwohl die Frontpartie eher derer des 250 GTO glich. Der 330 LM wurde in zahlreichen Rennen eingesetzt, vor allem bei den 24 Stunden von Le Mans, woher auch der Zusatz LM stammt.