Переход от Cobra Mk I к Cobra Mk II был осуществлён в 1963 г., когда главный инженер AC Алан Тёрнер изменил дизайн передней части родстера, чтобы установить реечное рулевое управление. Все 528 единиц Cobra Mk II, произведенные в 1963-1965 гг., оснащались двигателем Ford Windsor V8 289 HiPo мощностью 271 л.с., который уже использовался на Cobra Mk I в 1962-1963 гг. Автомобили по-прежнему собирались в Великобритании, а двигатели монтировались в США. В 1965 г. Шелби решил заменить мотор Ford V8 289 на Ford V8 427 с большим блоком, положив начало третьей серии Shelby Cobra.

В течение сезона 1963 г. Shelby Cobra получила омологацию чемпионата спортивных автомобилей FIA. Шелби подготовил две машины для участия в 24-х часах Ле-Мана. Они оснащались двигателем Ford 289 с четырьмя карбюраторами Weber, а также расширенными колёсными арками и воздухозаборником на капоте.

Первый выход Кобры в Ле-Мане оказался не очень успешным. Она заняла 7-е место в общем зачёте и 4-е в своём классе, уступив трём Ferrari 250 GTO. Несмотря на мощность около 360 л.с., проблема Shelby Cobra заключалась в плохой аэродинамике, которая значительно ограничивала максимальную скорость. Это заставило Шелби в следующем году разработать купе Shelby Cobra Daytona. В чемпионате 1964 г. родстеры Cobra принимали участие параллельно с Daytona Coupe. 

Shelby Cobra 289 Dragonsnake - модификация, разработанная Кэрроллом Шелби специально для заездов NHRA на четверть мили. В комплект входили двигатель V8 289 с одним 4-камерным карбюратором (Stage I), двумя 4-камерными карбюраторами (Stage II) или четырьмя 2-камерными карбюраторами Weber (Stage III), задний мост с отношением 4.54:1, амортизаторы Koni, шины Goodyear Drag Slicks и воздухозаборник на капоте. Всего было построено 8 таких автомобилей, на одном из них Брюс Ларсон и Эд Хедрик выиграли 7 гонок NHRA.