A finales de 1968, el 330 GTS fue sustituido por el 365 GTS spider, aunque el primer coche no se construyó hasta 1969. 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 GTS tenía un pequeño emblema “330″ en la tapa del maletero, por debajo de la inscripción “Ferrari”, mientras que en el 365 GTS 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 GTS, las carrocerías se construían en las instalaciones de Pininfarina en Turín, para ser entregadas completamente terminadas a Ferrari, donde se acoplaban los componentes mecánicos. El techo abatible del 365 GTS se sujetaba con un par de broches al montante superior del parabrisas cuando se cerraba, mientras que una cubierta de vinilo, que también se ajustaba mediante broches, lo protegía cuando se plegaba sobre un pequeño rebaje por detrás de los asientos traseros. Por lo demás, era idéntico a su hermano el 365 GTC. 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 tenían volante a la izquierda y estuvieron numerados siguiendo la secuencia de cifras impares típica de los Ferrari de carretera, en un intervalo que iba del 12163 al 12493. 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 GTS, e idéntico al que empleaban los 365 GT 2+2 que ya se fabricaban cuando se anunció la aparición del 365 GTS. 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 GTS y su hermano el 365 GTC 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 de los 365 GTC y 365 GTS, habían entrado en la línea de montaje antes que estos. El 365 GTS compartía tanto la transmisión transaxle de cinco velocidades como el sistema de suspensión trasera independiente con el 330 GTS 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 GTS tuvo un periodo de producción muy corto y fue apartado de la gama durante 1969. En ese tiempo se fabricaron 20 unidades, lo que le convirtieron en uno de los modelos más singulares de la época.