Depuis 1962, la catégorie 350 était dominée par Jim Redman et sa Honda 4 cylindres. Mike Hailwood ne pouvait rien faire face à ce binôme surtout avec une MV 4 cylindres vieillissante. L'ordre de concevoir une nouvelle moto fut donnée par le Comte Domenico Agusta à Arturo Magni qui dirigeait le " reparto corse ". Ce sera une moto plus petite, plus légère et dotée de 3 cylindres. La base utilisée fut le 250 bicylindre auquel un cylindre supplémentaire fut greffé. Une nouvelle culasse à 4 soupapes par cylindre fut également développée. En l'espace de 2 mois le premier prototype fut réalisé et présenté au Comte. Mais le rêve du Comte Agusta était de confier cette moto à un pilote italien, car MV, malgré une vingtaine de titre mondiaux, n'avais jamais pu le remporter dans les cylindrées supérieures à 250 avec un pilote transalpin. Or, il y avait à ce moment un jeune pilote prometteur chez Benelli : Giacomo Agostini. Contact fut pris et Agostini engagé pour les catégories 350 et 500 au côtés du prestigieux Mike Hailwood.
1965, premier Grand Prix au Nüburgring, première sortie d'Agostini et la 3 cylindres et ... première victoire ! Malgré 2 autres victoires en Finlande et en Italie, le titre lui échappera au profit de Jim Redman et sa Honda. Il faudra attendre 1968 et le retrait de Honda avec sa fabuleuse 6 cylindres pour qu'Ago remporte son premier titre dans cette catégorie au guidon de cette moto.
Les titres 1969, 1970, 1971 s'en suivirent et en 1972, la 3 cylindres, en bout de développement, céda progressivement sa place à la nouvelle 4 cylindres.