Rozsáhlé změny pravidel většinou neznevýhodňují dominantní závodní vozy, ale Ferrari ve skutečnosti netrpělo, když se sportovní řídicí orgán rozhodl změnit mistrovství světa pro sezónu 1962. Dřívější speciálně zkonstruované sportovní vozy byly nahrazeny homologovanými vozy kategorie Grand Turismo a továrna z Maranella se do závodů přihlásila s novým Ferrari 250 GTO.

Ferrari 250 GTO zvítězilo v následujících třech mistrovstvích a dnes je považováno za jeden z nejlepších závodních vozů, jaké byly kdy vyrobeny. Automobilový klub de l’Ouest nebyl připraven na přijetí nových předpisů a na startovní listinu vytrvalostního závodu 24 Hours of Le Mans přidal speciální třídu pro závodní prototypy s omezením zdvihového objemu na maximální čtyři litry. Ferrari 250 GTO se mohlo zúčastnit, ale Ferrari toužilo po celkovém vítězství a potřebovalo něco silnějšího.

Ferrari naštěstí uvedlo na trh produkční model Ferrari 400 Superamerica se čtyřlitrovým dvanáctiválcem a rozhodlo se, že tento motor použije jako základ pro nové závodní auto. Konstrukce motoru vycházející z původního návrhu inženýra Gioacchinno Colomba, jehož třílitrový dvanáctiválec poháněl 250 GTO, byla upravena mazáním se suchou klikovou skříní a modifikovanými hlavami válců, aby bylo možné namontovat šest karburátorů Weber.

Modifikace motoru zvýšily nejvyšší výkon na 340 koní u silničních vozů a přibližně 390 až 400 koní u soutěžních vozů. Silný dvanáctiválec byl namontován do dvou různých typů podvozku: posledního šasi Ferrari 250 Testa Rossa a prodlouženého podvozku Ferrari 250 GTO. Tím vzniklo jediné Ferrari 330 TRI/LM a trojice Ferrari 330 GTO. Označení 330 opět odkazovalo na zdvihový objem jednoho válce v kubických centimetrech.

Ve srovnání s třílitrovým 250 GTO byl podvozek čtyřlitrového 330 GTO mírně prodloužen. Obě závodní kupé spojoval velmi podobný design, ale i přesto vznikly rozdíly, podle kterých se dají snadno rozeznat. Čtyřlitrový motor s delším zdvihem byl trochu vyšší a vyžádal si větší bouli na kapotě, aby se pod ni vešly karburátory.

Ze tří vyrobených kusů soutěžily pouze dva, ale ani jeden nedokázal zvítězit. První skončil na celkovém druhém místě a prvním místě ve třídě v tisícikilometrovém závodě na Nürburgringu. Druhý vůz soutěžící v Le Mans musel odstoupit kvůli problémům s přehříváním. Ferrari 330 TRI/LM s otevřenou karoserií Fantuzzi si vedlo výrazně lépe a v rukou Phila Hilla a Oliviera Gendebiena získalo v Le Mans 1962 třetí celkové vítězství Ferrari.

Historie čtyřlitrového motoru V12 ale neskončila vytouženým úspěchem v Le Mans. V roce 1963 vznikly další tři podvozky GT s jednotkou o výkonu 400 koní. Konstruktéři opět zvětšili rozvor na 2 500 milimetrů a karoserii s designem od Pininfariny vyráběla karosárna Scaglietti. Zajímavý design zkombinoval ikonický nos závodního 250 GTO se zadní částí silničního 250 GT Lusso.

Namontování širších pneumatik si vyžádalo vyříznutí zadních blatníků a použití větších panelů, které byly podobné těm z o deset let mladšího Ferrari 250 MM. S přepracovaným tvarem karoserie inženýři dosáhli lepší aerodynamiky a vyšší maximální rychlosti. Ferrari 330 LM Berlinetta bylo při testování na Le Mans v roce 1963 prvním vozem, který na trati prolomil rychlostní bariéru 300 kilometrů v hodině. Konstrukce byla následně namontována na podvozek 250 GTO.

Tovární tým se soustředil na nové prototypy s motory uprostřed, kvůli čemuž byla trojice vyrobených Ferrari 330 LM Berlinetta prodána soukromým závodním týmům, které s nimi závodily jen zřídka. Do závodu v Le Mans startovala všechna tři auta, ale pouze jednomu se podařilo závod dokončit. Dojelo na celkovém pátém místě a prvním místě ve třídě. Stejné auto také získalo vítězství ve třídě o dva měsíce později v Guards Trophy na britském okruhu Brands Hatch.

To byl konec krátké závodní kariéry čtyřlitrových GT od Ferrari, které byly téměř ve všech aspektech překonány svými mnohem slabšími třílitrovými sourozenci. Ferrari série 330 možná nejsou tak známé jako jejich menší sourozenci, ale sedm vyrobených vozů patří k nejzajímavějším Ferrari na dnešním trhu s klasickými auty.