Le moteur V12 a été légèrement bridé par rapport à celui de la 365 GTB4 et le nombre maximum de tours a été revu à la baisse pour le rendre moins nerveux, révéler son caractère coupleux et donner davantage de traction à faible vitesse. Mais conformément à la tradition Ferrari, il a été possible de pousser sans problème le moteur à plus de 7 000 tours par minute. La plupart de la production a été vendue aux États-Unis.

La 365 GTC4 a été dévoilée lors du Salon de l’automobile de Genève en 1971. Elle succède à deux modèles de la gamme : la 365 GTC, dont la production a pris fin l’année précédente, et la 365 GT 2+2, dont la production a été arrêtée à l’annonce de ce nouveau modèle. Si elle a remplacé avec bonheur la 365 GTC4 en se plaçant comme une version coupé plus classique et moins agressive de la 365 GTB4 berlinetta, elle n’a fait que partiellement oublier la 365 GT 2+2 en raison de ses sièges arrière inexploitables, hormis pour de très jeunes enfants. Les sièges peuvent toutefois se replier pour ménager une plate-forme à bagages très utile. Une caractéristique inhabituelle de l’intérieur de ce modèle réside dans le fait que le centre des sièges et les garnitures des portes proposent un tissu écossais spécifique, bien que la garniture complète en cuir soit restée disponible sur demande.

Des versions destinées aux marchés européen et américain ont été disponibles dès le lancement, la version américaine étant toutefois équipée d’un dispositif de contrôle des émissions limitant ses performances. Ce véhicule est particulièrement reconnaissable à ses répétiteurs rectangulaires placés sur les ailes avant et arrière. Il s’agit du premier modèle 12 cylindres annoncé après la reprise par Fiat de la production des routières en 1969. En dépit d’un style de carrosserie totalement inédit, son cycle de vie a été relativement court, car il s’est achevé à l’automne 1972 après une production de 500 exemplaires. Toutefois, sa conception mécanique a été conservée presque entièrement pour la 365 GT 2+2. En effet, seul le châssis a été quelque peu allongé pour cette dernière.

Le style de la carrosserie est très différent de celui de ses devancières. Les délicates courbes arrondies et la calandre en ellipse ont été remplacées par un style plus anguleux, très en vogue à l’époque. Sa partie avant très abaissée comporte un pare-chocs en caoutchouc noir qui court sur toute sa largeur et entoure une petite calandre rectangulaire. Les phares secondaires rectangulaires et les répétiteurs/clignotants sont placés dans les extrémités de l’ouverture de la calandre. Des phares doubles escamotables sont installés dans la partie avant plate entre le pare-chocs et le bord principal du capot, qui dispose de prises d’air rectangulaires similaires à celles de la 365 GTB4. L’avant du véhicule forme une vague et rejoint un habitacle à cinq fenêtres, qui, de profil, ressemblent à une goutte d’eau. Les lignes épurées se poursuivent jusqu’au coffre pour former une poupe de type Kamm. Les triples feux arrière sont montés aux extrémités d’un renfoncement, sous lequel un pare-chocs noir mat rappelle le pare-chocs avant. La carrosserie a été conçue, fabriquée et découpée par Pininfarina, puis envoyée à Ferrari pour l’assemblage des composants mécaniques. Elle est composée d’acier, avec un capot avant et un coffre en aluminium. Les carrosseries sont montées sur un châssis d’un empattement de 2 500 mm. Ce modèle a inauguré un nouveau système de référence (préfixe « F », F101 AC 100), qui suit la séquence impaire des numéros des routières. La construction reprend la même structure de base que les autres modèles de cette période, avec des tubes ovales à large diamètre, des entretoises et des sous-structures pour soutenir la carrosserie et les équipements auxiliaires. Ce modèle a été proposé en conduite à droite et en conduite à gauche, avec la direction assistée, les vitres électriques et la climatisation en équipement de série. Les jantes de série à cinq branches sont munies d’un papillon central (moyeu Rudge), mais les roues des véhicules destinés aux États-Unis et à certains autres marchés ont été équipées d’un grand écrou central plat chromé dans un souci de conformité à la législation alors en vigueur. Des jantes à rayons Borrani ont été proposées en option.

Le moteur présente une structure similaire à celle de la 365 GTB4, avec deux arbres à cames en tête par rangée dans le V12 présentant une cylindrée de 4 390 cc et un alésage de 81 mm pour une course de 71 mm. Toutefois, ce moteur ne dispose d’aucun carter sec et est équipé d’un carter humide classique. Les têtes de cylindres diffèrent également, car le moteur est équipé de carburateurs horizontaux et non verticaux pour réduire la hauteur du capot. Les admissions des nouvelles têtes de cylindre se trouvent entre les arbres à came, plutôt que dans le V, comme sur la 365 GTB4. Les filtres à huile et les dispositifs de contrôle des émissions peuvent ainsi être installés dans le V. Comme pour le châssis, le moteur inaugure une nouvelle séquence de numérotation, avec le numéro F 101 AC 000. Il est équipé de deux rangées de trois carburateurs double corps Weber 38DC0E59/60. Les versions destinées au marché américain portent le suffixe «A». Un distributeur à une bobine est monté à l’arrière du moteur sur les véhicules destinés au marché européen. Ceux destinés aux États-Unis comportent un distributeur double et un système électronique. Ces deux versions développent 320 CV. Les modèles destinés aux États-Unis sont également équipés de dispositifs de régulation des émissions de CO2, notamment un dispositif de contrôle du ralenti et un système d’injection d’air à l’échappement. Le moteur inclut un embrayage monté contre le volant moteur, une boîte cinq vitesses à dispositif de synchronisation accouplée, de présentation et fonctionnement similaires à celle de la 365 GT 2+2, et intègre une suspension arrière à correction d’assiette.