El 365 GTC reemplazó al 330 GTC a finales de 1968. Visualmente era casi idéntico a su antecesor, quitando las salidas de ventilación del motor, que ya no estaban en las aletas sino que fueron sustituidas por un panel de rejillas trapezoidales de plástico negro situadas en las esquinas del capó más cercanas al parabrisas.

La única diferencia externa, además de ésta mencionada, era que el 330 GTC tenía un pequeño emblema “330″ en la tapa del maletero, por debajo de la inscripción “Ferrari”, mientras que en el 365 GTC sólo aparecía ésta última. En el interior había pequeños cambios en el cuadro de instrumentos y en la consola central, la más obvia de ellas la incorporación de dos salidas circulares y direccionales para la ventilación del habitáculo, colocadas en el centro del salpicadero. Como en los 330 GTC, las carrocerías se construían en las instalaciones de Pininfarina en Turín, para ser entregadas completamente terminadas a Ferrari, donde se acoplaban los componentes mecánicos.

La carrocería se montaba sobre un chasis tubular de acero con una distancia entre ejes de 2.400 mm, que tenía un código de referencia interno 592C. Todos estuvieron numerados siguiendo la secuencia de cifras impares típica de los Ferrari de carretera. El proyecto era prácticamente idéntico al del modelo que reemplazaba, y el único cambio mecánico era la cilindrada del motor. Las llantas de aleación de serie tenían un diseño de diez orificios, como su antecesor, y opcionalmente estaban disponibles las llantas de radios Borrani.

El motor era una versión de cilindrada superior del instalado en el 330 GTC, e idéntico al que empleaban los 365 GT 2+2 que ya se fabricaban cuando se anunció la aparición del 365 GTC. Se trataba de un V12 con un árbol de levas en cabeza por cada bancada de cilindros, que tenía un código de referencia interno 245/C. Su cilindrada exacta era 4.390 cc, con un diámetro por carrera de 81 x 71 mm. La alimentación se realizaba mediante una batería de tres carburadores de doble cuerpo Weber 40 DFI/5 ó 40 DFI/7. Tenía doble bobina y un sistema de encendido con el distribuidor colocado por detrás del propulsor. Su potencia era de 320 CV. El 365 GTC y su hermano el 365 GTS fueron los últimos Ferrari presentados con un solo árbol de levas en cabeza para cada bancada de cilindros porque, aunque los 365 GT 2+2 continuaron en producción después del cese del 365 GTC, habían entrado en la línea de montaje antes que éste. El 365 GTC compartía tanto la transmisión transaxle de cinco velocidades como el sistema de suspensión trasera independiente con el 330 GTC y, como todos los Ferrari desde comienzos de los sesenta, llevaba cuatro discos de freno y un freno de mano accionado por cable en las ruedas traseras. El 365 GTC tuvo un periodo de fabricación muy corto, hasta 1970: esto se debió principalmente a la entrada en vigor, en Estados Unidos y en otros países, de una nueva legislación para el control de emisiones en los vehículos, lo que implicaba unos costes económicos demasiado elevados para introducir los cambios necesarios en coches de producción relativamente pequeña. En total se fabricaron 168 unidades, con volante a la izquierda y a la derecha. Los números de chasis estaban comprendidos en el intervalo del 11589 al 12785.