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La 330 America provisoire fut remplacée en janvier 1964 par la nouvelle 330 GT 2+2.
Elle a été présentée pour la première fois au Salon de Bruxelles, au début de la même année.
C'était beaucoup plus qu'une 250 remotorisée, cependant, avec un nez et une queue plus aiguisés, des phares quadruples et une calandre large. L'empattement a été allongé de 50 mm (2,0 po), mais les amortisseurs réglables Koni ont amélioré la maniabilité.
La 330 GT 2+2 est mue par une version remaniée (Tipo 209) du moteur V12 de la Ferrari 400 Superamerica d'une cylindrée de 3 967 cm3 (alésage/course de 77 mm × 71 mm). La distribution est assurée par quatre arbres à cames en tête, soit deux par banc de cylindres. Alimenté par trois carburateurs Weber double corps 40 DCZ/6, il développe 300 ch à 6 600 tr/min pour un couple « solide » de 390 Nm dès 5 000 tr/min3,7 (taux de compression de 8,8:1). Le refroidissement du moteur est lui revu en profondeur. Le bloc tout aluminium est allongé afin de permettre une meilleure circulation de l'eau et une nouvelle pompe à eau, entraînée par courroie, lui est associé.
Le moteur de la 330 GT Série I est initialement associé à une boîte de vitesses manuelle à quatre rapports, dont le dernier est en prise directe, à overdrive Laycock de Normanville à enclenchement électrique
Un système de freinage Dunlop à double circuit a été utilisé avec des disques tout autour, bien qu'il sépare les freins avant et arrière plutôt qu'en diagonale comme sur les systèmes modernes.
La 330 GT était équipée de pneus Pirelli Cinturato 205VR15 (CN72) d'origine.
