La 330 GT 2+2 Coupé a fait ses premiers pas à la conférence de presse avant-saison annuelle de Ferrari en janvier 1964 avant d’être dévoilée au public au Salon de l’automobile de Bruxelles un peu plus tard au cours de ce même mois. Elle était l’héritière de la 250 GTE 2+2, dont la dernière série produite comptait 100 modèles connus sous le nom de 330 America : identiques à la 250 GTE avec un moteur 4 litres.

Comme son prédécesseur, ce modèle a repris la carrosserie de la 330 GT 2+2 conçue par Pininfarina. Elle a été légèrement modifiée cependant et présentait des phares doubles inclinés, avec des feux de 7 pouces de diamètre externe et 5 pouces de diamètre interne, rappelant la 400 Superamerica Superfast IV (châssis 2207SA). Cela donnait à la partie avant une allure quelque peu américaine, les phares doubles étant très tendance outre-Atlantique à cette époque.

Les lignes générales de la carrosserie étaient plus douces et plus arrondies, à l’exception des blocs optiques anguleux, et la partie arrière arrondie permettait d’offrir un coffre plus volumineux avec des feux arrière monoblocs rectangulaires horizontaux suivant les courbes des ailes. L’empattement allongé de 50 mm par rapport à celui du modèle précédent et l’intérieur retravaillé permettaient d’offrir davantage d’espace pour les jambes et la tête des passagers arrière, sans sacrifier au confort des sièges avant. La série II a donné lieu à la modification de la proue au milieu de l’année 65. Les phares doubles on été remplacés par des unités simples qui donnaient à l’avant un aspect très similaire à celui de la 275 GTS, produite à cette période. Les jantes à rayon Borrani (qui ont longtemps fait partie de l’équipement de base des Ferrari) ont cédé la place à des jantes alliage à 10 trous, toujours dotées de moyeux Rudge, mais sont restées disponibles en option. Sur les ailes avant, les 11 fentes de la 250 GTE ont été remplacées par 3 ouvertures, qui étaient également utilisées sur les 275 GTS à peu près à la même époque, tandis que les pare-chocs avant et arrière ont été dotés de butoirs recouverts de caoutchouc. L’intérieur a également été revu : le pédalier monté dans le plancher a été remplacé par une unité suspendue, une console centrale a été installée entre le tunnel de transmission et le bord inférieur du tableau de bord et la disposition de l’appareil de commande et des ventilations a été modifiée. Les carrosseries ont été montées sur un châssis de 2 650 mm d’empattement portant la référence 571 (série I), puis la référence 571/65 (série II). Tous les châssis étaient numérotés selon la séquence de chiffres impairs des routières, entre 4 963 et 7 533 pour la série I et entre 7 537 et 10 193 pour la série II. La construction se déroulait conformément aux pratiques standard de Ferrari de l’époque : tubes ovales à large diamètre avec entretoises solides et sous-structures soudées au cadre principal pour soutenir la carrosserie et l’équipement auxiliaire.Ce modèle  était doté d’une suspension avant indépendante, d’un essieu arrière rigide avec ressort à lames et amortisseurs télescopiques, de quatre freins à disque avec circuits hydrauliques avant et arrière distincts, et d’une direction placée à gauche ou à droite. La direction assistée a également été proposée en option ultérieurement au cours de la période de production.

Le moteur, un V12 4 litres, disposait d’un seul arbre à cames en tête et portait la référence 209, puis 209/66. Sa cylindrée totale s’élevait à 3 967 cc et son rapport alésage/course était de 77 x 71 mm. Les bougies étaient placées à l’extérieur du V et s’accompagnaient d’une rangée de trois carburateurs double corps Weber 40 DCZ/6 ou 40 DFI et d’un distributeur à deux bobines monté à l’arrière développant 300 bhp. Ce moteur basé sur la conception du «short block» d’origine de Colombo était légèrement plus long avec des diamètres d’alésage légèrement supérieurs pour faciliter l’écoulement de l’eau.

La différence au niveau du type de modèle du moteur faisait référence au nombre de points de montage: quatre sur le 209 et deux sur le 209/66, ce dernier étant utilisé à partir du châssis 08729. Le moteur était couplé à une boîte de vitesses 4 rapports à dispositif de synchronisation avec une cinquième vitesse surmultipliée à commande électronique sur la plupart des véhicules de la série I et à une boîte de vitesses 5 rapports à dispositif de synchronisation sur les derniers modèles de la série I et tous les modèles de la série II, la transmission finale étant assurée par un arbre de transmission à l’essieu arrière rigide. Avec le passage de 4 à 5 vitesses, le système de commande d’embrayage mécanique a été remplacé par un système hydraulique. La 330 GT 2+2 a été produite de 1964 à 1967, avant de céder la place à la 365 GT 2+2. Sur cette période, des unités 625 série I et 474 série II ont été produites et leurs ventes ont dépassé celles du modèle 250 GT 2+2 précédent sur une période de production similaire. La configuration 2+2 s’est révélée très tendance à cette époque.