Las berlinettas de competición con motores de 4 litros fueron construidas para cumplir con los cambios reglamentarios de la FIA. La carrocería de las dos primeras era muy parecida a la del 250 GTO y, de hecho, a veces se referían a ellas como los GTO de 4 litros. Sin embargo, más tarde se fabricaron otros modelos con carrocería Pininfarina de diseño similar al de algunas creaciones anteriores del carrocero turinés, que recordaban al 250 Lusso desde algunos ángulos, aunque el morro estaba más cerca del 250 GTO. El 330 LM fue muy utilizado en competición, especialmente en las 24 Horas de Le Mans, de donde toma el sufijo “LM” en su denominación.