Les berlinettas 4 litres de course ont été conçues pour être conformes aux réglementations en constante évolution de la FIA. La carrosserie des deux premiers modèles était très similaire à celle de la 250 GTO. On les nommait même GTO 4 litres. Toutefois, d’autres modèles ont par la suite été construits avec la carrosserie de Pininfarina . D’un style similaire à celui d’autres modèles du carrossier turinois, ils ressemblaient à la 250 Lusso par certains aspects, bien que leur partie avant fût plus proche de la 250 GTO. La 330 LM a fréquemment été utilisée en compétition, en particulier aux 24 heures du Mans, d’où provient d’ailleurs le suffixe « LM ».