На второй год выпуска Corvette Sting Ray лишился перемычки на заднем стекле, которая не нравилась никому, кроме Билла Митчелла. От этого задний обзор был намного улучшен. С капота исчезли декоративные воздухозаборники, а вентиляционные отверстия в задних стойках крыши (у купе) стали функциональными, но только с левой стороны. Изменилась также структура колёсных дисков и нижнего хромированного молдинга. Усовершенствования подвески, звукоизоляции и креплений кузова сделали автомобиль более комфортабельным, но это не отразилось на его динамических качествах. В стандартную комплектацию вошло рулевое колесо, окрашенное под ореховое дерево. Единственным доступным двигателем оставался 5.4-литровый V8 327. В базовой настройке он по-прежнему развивал 250 л.с., в пакете L75 - 300 л.с., зато мощность пакета L76 возросла до 365 л.с. за счёт большего 4-камерного карбюратора Holley. На столько же увеличилась мощность топовой модификации L84 с впрыском топлива, которая теперь выдавала 375 л.с. и стоила целых $538. На смену 4-ступенчатой механической коробке передач Borg-Warner T10 пришла 4-ступенчатая трансмиссия собственного производства, обозначенная как Muncie М20 (она собиралась на заводе в Манси, Индиана). Альтернативу ей составляли 3-ступенчатая механическая коробка передач и 2-ступенчатая автоматическая Powerglide.

В 1964 г. было продано 22229 единиц Corvette Sting Ray, из них 8304 единицы приходились на купе и 13925 единиц - на кабриолеты. На фото представлено эксклюзивное купе, изготовленное студией GM Styling для известного промышленника и спонсора гонки Индианаполис-500 Оззи Олсона. Этот автомобиль имел боковые выхлопные трубы чёрного цвета, тройные задние фонари и перламутровую синюю окраску. Ещё одно специальное купе в 1964 г. было построено по заказу Саймона Кнудсена, генерального директора Chevrolet. На нём выхлопные трубы тоже выходили сбоку, но были интегрированы в пороги, как впоследствии на серийной версии. Окрашенная в голубой цвет, машина Кнудсена также отличалась клетчатой решёткой радиатора, горизонтальными половинками бамперов и эксклюзивной внутренней отделкой.

В 1965 г. Corvette впервые стал доступен с двигателем V8 "Big Block". Ранее этому препятствовали два фактора: ограниченные размеры моторного отсека и запрет руководства GM устанавливать силовые агрегаты объёмом свыше 400 куб. дюймов на автомобили, не относившиеся к категории полноразмерных. Первая проблема была решена путём расширения выпуклости на капоте, вторая - перепроектированием существующего 6.5-литрового мотора V8 409. Под руководством главного менеджера Chevrolet Саймона Кнудсена для моделей Chevelle и Corvette был создан новый двигатель Big Block серии Mark IV, обозначенный как V8 396 Turbo Jet, объёмом 6489 см3. На Corvette он предлагался только в самой "горячей" версии L78 с механическими толкателями клапанов, легкосплавными поршнями, повышенной степенью сжатия и большим 4-камерным карбюратором, мощностью 425 л.с. В пакет L78 также входили увеличенный радиатор, высокопрочное сцепление, 4-ступенчатая механическая коробка передач и более жёсткие пружины передней подвески, а за доплату можно было заказать боковые выхлопные трубы с хромированными глушителями на порогах кузова.

Пакет L78 стоил всего $293, то есть почти в два раза дешевле, чем пакет L84 с 5.4-литровым инжекторным мотором V8 327 мощностью 375 л.с. Естественно, никому не хотелось доплачивать $245, чтобы получить на 50 л.с. меньше мощности. Как результат, в 1965 г. было продано 2157 машин с пакетом L78 и всего 771 машина с пакетом L84. Двигатель V8 327 был доступен ещё в четырёх модификациях с 4-камерным карбюратором: базовой (250 л.с.), L75 (300 л.с.), L79 (350 л.с.) и L76 (365 л.с.). В 1965 г. Corvette Sting Ray впервые был оснащён дисковыми тормозами на всех четырёх колёсах. В конструкции тормозной системы использовались 4-поршневые суппорты и двойной главный цилиндр с отдельными контурами для передних и задних колёс. Колодки находились в постоянном контакте с роторами, но это не отражалось на динамике, расходе топлива и сроках службы колодок. Барабанные тормоза старого образца предлагались в качестве опции со скидкой, но их выбрали только 316 покупателей. Снаружи модель 1965 г. отличалась тремя вертикальными вентиляционными "жабрами" в передних крыльях, отсутствием двух углублений на капоте и широкой центральной выпуклостью на модификации L78. Из 23564 проданных в этом году Corvette 15378 были кабриолетами и 8186 - купе.

В 1966 г. в дизайне Corvette Sting Ray не произошло никаких изменений, кроме замены горизонтальной решётки радиатора на клетчатую и удаления вентиляционных отверстий с задних стоек купе. Количество модификаций сократилось до четырёх. Базовым стал 5.4-литровый двигатель V8 327 мощностью 300 л.с. (ранее - пакет L75), за ним следовала 350-сильная версия этого агрегата с индексом L79, оснащённая увеличенным 4-камерным карбюратором. Объём мотора Big Block был увеличен до 6996 см3 (V8 427), и для него теперь предлагалось два пакета: L36 (390 л.с.) и L72 (425 л.с.). Второй из них включал 4-камерный карбюратор Holley, увеличенные впускные клапаны, алюминиевый впускной коллектор и механические толкатели. V8 427 был доступен только с 4-ступенчатой механической коробкой передач, самоблокирующимся дифференциалом Positraction и усиленной подвеской. Продажи Corvette выросли до 27720 ед., из них 17762 ед. составляли кабриолеты и 9958 ед. - купе. 

В 1967 г. Chevrolet Corvette получила пять боковых вентиляционных отверстий в едином блоке, гладкие молдинги на порогах, центральный фонарь заднего хода над номерным знаком и новые колёсные диски. Съёмный жёсткий верх для кабриолета стал доступен с виниловым покрытием. Двигатель V8 327 мощностью 300 или 350 л.с. (L79) не изменился. К прошлогодней версии 7-литрового мотора V8 427 мощностью 390 л.с. (L36) добавился промежуточный пакет L68 мощностью 400 л.с., а на смену 425-сильной модификации L72 пришла 435-сильная L71. Как на L68, так и на L71 устанавливались три 2-камерных карбюратора, но L71 имела повышенную степень сжатия и механические толкатели клапанов. Более продвинутый вариант с алюминиевыми головками и увеличенными выпускными клапанами был обозначен как L89, но его мощность по официальным данным составляла те же 435 л.с., хотя на самом деле была гораздо выше. То же самое касалось и ультимативного пакета L88, в который помимо алюминиевых головок входили высокопроизводительный распредвал, алюминиевый радиатор, один огромный 4-камерный карбюратор Holley и степень сжатия 12.5:1. По оценкам, мощность этого мотора достигала 560 л.с. (вместо указанных 430 л.с.), но работал он только на гоночном бензине с октановым числом 103, достать который было крайне сложно. При этом пакет L88 стоил $1500, и в нём отсутствовали даже отопитель и радио, стандартные на других модификациях. Естественно, спрос на такую экзотику был невысоким: за год нашлось 16 покупателей на пакет L89 и 20 покупателей на пакет L88. Все автомобили с двигателем V8 427 имели большой воздухозаборник на капоте с выходящей из него стрелой.

Второе поколение Chevrolet Corvette оказалось самым недолговечным, продержавшись на рынке только пять лет. Его планировали заменить уже в 1967 г., но проблемы с аэродинамикой нового кузова оттянули дебют Corvette C3 ещё на год. Тем не менее, шасси Corvette Sting Ray с независимой задней подвеской перешло на его преемника почти без изменений, и следующие 15 лет модель строилась на одной и той же платформе. Всего с 1963 по 1967 гг. было произведено 117966 единиц Corvette C2, из них 22940 единиц (14436 кабриолетов и 8504 купе) - в 1967 г.