Quatre litres, c'est aussi grand que Ferrari n'a jamais été avec le développement de ses prototypes sportifs, même face à la concurrence des gros moteurs américains de 7 litres. Pour combler cet écart de performance, le V12 de la 330 P2 s'est appuyé sur une construction très sophistiquée avec deux arbres à cames en tête par rangée de cylindres. De même, le châssis a été renforcé par des panneaux fixés à l'extérieur de la structure spatiale et la suspension présentait des harmoniques distinctes de F1 monoplace. Après une saison plutôt inégale, la voiture a cédé la place à son successeur, la 330 P3.
Ferrari a remporté les premières victoires absolues d'une voiture à moteur central au Mans en 1963 et 1964 avec les évolutions de la même voiture, la 250 P et la 275 P. Pour quelqu'un connaissant la nomenclature Ferrari, la différence entre les deux est facilement identifiable comme une augmentation de la cylindrée d'environ 3 litres à 3,3 litres (250 cc à 275 cc par cylindre). En réponse au nouveau programme GT40 de Ford, une évolution plus substantielle a été développée pour la saison 1965 : la 275/330 P2.
À bien des égards, la P2 était le raffinement du prototype sportif qu'elle remplaçait. Le châssis à structure tubulaire d'acier éprouvé et digne de confiance avec suspension à double bras triangulaire aux quatre coins a été transporté. La carrosserie entièrement en aluminium était manifestement différente. Afin d'accroître l'efficacité aérodynamique de la conception, les panneaux ont été enroulés plus étroitement autour des éléments mécaniques, tandis qu'un pare-brise plus étroit a été installé. L'arceau de retournement derrière le conducteur a servi de voilure primitive.
Ce que Ferrari craignait le plus au sujet de la Ford GT40, c'était le grognement de son petit bloc considérablement plus grand et plus tard même de ses gros V8. Au lieu d'augmenter simplement la cylindrée du choix de V12 disponibles, Ferrari a décidé de développer une nouvelle tête à deux cames pour les voitures d'usine. Disponibles en versions 3,3 et 4 litres, les nouveaux V12 à quatre arbres à cames produisent entre 350 et 400 ch. N'étant pas tout à fait prête à vendre ce nouveau moteur sophistiqué à ses clients, Ferrari a également proposé la P2 avec un V12 de 4,4 litres à une came, la 365 P2.
La première P2 a fait ses débuts sur les 2000 km de Daytona, où elle a été la plus rapide en qualifications, mais elle a dû abandonner à cause d'une défaillance de l'essieu arrière, ce qui a permis à l'une des GT40 de l'emporter. De retour en Europe, les P2 ont fait preuve d'une meilleure forme en signant le meilleur temps aux essais du Mans, puis en remportant la Targa Florio, le Nürburgring 1000 km, Monza 1000 km et Reims 1000 km. La course au Mans n'a pas été aussi réussie, toutes les P2 s'étant retirées de la course. L'honneur de Ferrari a été défendu par une participation privée de 250 LM, qui a permis à la marque de remporter sa dernière victoire au Mans.
Pour la saison 1967, Ferrari passe à la 330 P3 encore plus sophistiquée et les P2 restantes sont vendues à des corsaires équipés de V12 à une seule came. Bien qu'elle ne soit pas aussi connue que ses successeurs d'une beauté douloureuse, la P2 a remporté quatre victoires majeures au cours de sa seule saison de courses d'usine.