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La 330 America a été remplacée par la 330 GT 2+2, dévoilée au Salon de Bruxelles. Il était équipé du nouveau Type 209 V12 de 4 litres, dont le bloc moteur était légèrement plus long que celui de la série 400 SA dont il était dérivé. La ligne élégante 330 GT 2+2 est l'œuvre de Pininfarina, et deux séries ont été construites. Celles-ci différaient principalement dans le traitement avant ; la première série (1963-1965) ayant quatre phares et la seconde (1965-1967) seulement deux. En tout, environ 1 000 exemplaires ont été construits.
Le coupé 330 GT 2+2 a été présenté lors de la conférence de presse annuelle de Ferrari en janvier 1964, avant d'être présenté en public au Salon de Bruxelles dans le courant du mois. Il s'agissait du remplacement du modèle 250 GTE 2+2, qui avait terminé son cycle de production avec une série d'une centaine de modèles appelés 330 America : visuellement identique au 250 GTE, mais équipé d'un moteur 4 litres.
Comme son prédécesseur, la 330 GT 2+2 a été conçue à partir de la plume de Pininfarina. Il était très différent, cependant, avec un double phare incliné, avec une lentille extérieure de 7 pouces de diamètre et une lentille intérieure de 5 pouces de diamètre, faisant écho à la disposition montrée sur le 400 Superamerica Superfast IV (châssis 2207SA). L'aspect frontal est ainsi légèrement américain, car les doubles phares y sont très en vogue.
Les lignes générales de la carrosserie sont devenues plus lisses et plus arrondies, à l'exception des cabines angulaires du pourtour des phares, avec une queue arrondie et bulbeuse qui donne un coffre plus volumineux et des feux arrière rectangulaires horizontaux monoblocs qui s'incurvent sur les bords des ailes. L'augmentation de 50 mm de l'empattement par rapport à son prédécesseur, conjuguée à un intérieur redessiné, a donné aux passagers arrière un espace supplémentaire pour les jambes et la tête, sans sacrifier l'espace des sièges avant.
L'exemple de la série II a vu le jour lorsque le traitement frontal a été modifié vers le milieu de 1965. A cette époque, le double phare a été remplacé par une seule unité, ce qui a donné un aspect frontal très similaire à celui du modèle 275 GTS produit en parallèle. En même temps, les roues à rayons Borrani (pendant si longtemps une partie standard des vêtements Ferrari) ont cédé la place aux roues en alliage coulé à dix trous, toujours avec les moyeux Rudge contrefaits, bien que les roues à rayons restent disponibles en option.
La conception des grilles d'évacuation d'air du compartiment moteur sur les ailes avant est passée de la disposition à 11 fentes de la 250 GTE à une conception à trois rangées, qui a également été utilisée sur la 275 GTS à peu près à la même époque, tandis que les pare-chocs avant et arrière étaient munis de surmoulures à face caoutchouc. L'intérieur a également fait l'objet de modifications : le pédalier au sol a été remplacé par une unité suspendue, une console centrale a été prévue entre le tunnel de transmission et le bord inférieur du tableau de bord, avec des modifications à la disposition des tableaux de bord et des prises de ventilation.
Les carrosseries ont été montées sur un châssis d'empattement de 2650 mm portant le numéro de référence d'usine 571 (série I), puis 571/65 (série II). Tous ont été numérotés dans l'ordre impair des numéros de châssis des voitures de route, de 4963 à 7533 pour les modèles de série I, et de 7537 à 10193 pour la série II. La construction était conforme à la pratique Ferrari de l'époque : tubes principaux ovales de grande section avec contreventements transversaux importants, et sous-ensembles soudés au châssis principal pour supporter la carrosserie et les équipements auxiliaires.
Le modèle était équipé d'une suspension avant indépendante, d'un essieu arrière rigide avec ressorts à lames et amortisseurs télescopiques, de freins à disque aux quatre roues avec circuits hydrauliques avant et arrière séparés, direction à gauche ou à droite, disponibles en option avec assistance électrique plus tard en cours de production.
Le moteur était un seul arbre à cames en tête par banc V12 de 4 litres, avec des références de type usine 209 puis 209/66, une cylindrée totale de 3967 cc, un alésage et une course de 77 x 71 mm. Il était équipé d'une bougie d'allumage en vee extérieure, équipée d'une batterie de trois carburateurs à double starter Weber 40 DCZ/6 ou 40 DFI, d'une double bobine et d'un système d'allumage arrière du distributeur monté sur le moteur produisant une puissance de 300 chevaux. Le moteur était basé sur la conception originale du bloc " court " Colombo, mais il était légèrement plus long avec des centres de perçage accrus pour fournir des voies navigables adéquates avec des alésages de plus grand diamètre pour les cylindres.
La différence de numéro de type de moteur se réfère au nombre de points de montage : 209 en avait quatre, tandis que 209/66 en avait deux, ce dernier arrangement étant utilisé à partir du châssis 08729. Le moteur était couplé à une boîte de vitesses synchronisée à 4 rapports, avec surmultiplicateur électronique sur la plupart des voitures de série I, et à une boîte de vitesses synchronisée à 5 rapports sur toutes les voitures de série I et de série II, et une transmission finale par un arbre porte-hélice à un pont arrière rigide. Avec le passage de la boîte de vitesses à 4 vitesses à la boîte de vitesses à 5 rapports, le système d'actionnement de l'embrayage est passé du fonctionnement mécanique au fonctionnement hydraulique.
La production de la 330 GT 2+2 s'est déroulée de 1964 à 1967, date à laquelle elle a été remplacée par la 365 GT 2+2. Au cours de cette période, 625 séries I et 474 séries II ont été produites, surpassant les 250 GT 2+2 précédentes au cours d'une durée de vie de production similaire ; le concept 2+2 s'est révélé être une configuration continue très populaire.
