Foi em junho de 1997 que a Tam anunciou a encomenda de cinco A330 para inciar a sua expansão internacional. Na época a Tam ainda era uma companhia aérea regional, com uma frota baseada em Fokkers F-27, F-50 e F-100 e cerca de 16% do mercado doméstico. A companhia havia cogitado adquirir aeronaves A310, porém acabou escolhendo a mais recente aeronave Airbus da época. A estratégia da Tam para se consolidar no mercado internacional foi apostar num modelo de última geração com as mais recentes tecnologias da época e oferecer diferenciais no conforto e serviço de bordo em relação aos seus concorrentes. O A330 da Tam inaugurou uma nova era na aviação comercial brasileira, elevando o nível de conforto e serviço em voos internacionais para um novo patamar. Os A330 da Tam trouxeram itens inéditos no mercado brasileiro como telas individuais em todas as classes e assentos que reclinam 180º na classe executiva, até então isso era encontrado apenas na primeira classe. 

Os dois primeiros A330-200, PT-MVA e PT-MVB, chegaram no Brasil em novembro de 1998 e pousaram no Aeroporto de Congonhas, em São Paulo, onde houve uma grande festa promovida pela Tam. As duas aeronaves inauguraram a tradição de escrever a frase "The magic red carpet" (o mágico tapete vermelho) na parte da frente de todos os wide-bodies da Tam, fazendo referência ao tapete vermelho que era estendido para os passageiros que embarcavam nas aeronaves da companhia. Naquela época os A330-200 da Tam era configurados para 225 assentos, sendo 18 na primeira classe, 36 na executiva e 171 na econômica. Com a introdução dos assentos que reclinam 180º na classe executiva, o número total de assentos diminuiu para 208. A última configuração utilizada pela Tam tinha 223 assentos, sendo 4 na primeira classe, 36 na executiva e 183 na econômica.

A primeira rota do A330 da Tam foi entre São Paulo e Miami ainda em 1998, seguido pela rota São Paulo - Paris em 1999. Em 2001 a Tam iniciou a rota São Paulo - Frankfurt - Zurique, porém ela foi encerrada ainda em 2001, após os atentados terroristas de 11 de setembro. Com a crise no setor, alguns A330 foram alugados para a South African Airways e Etihad, que iniciou operações com os A330 da Tam. Em 2003 a Tam retomou o crescimento no mercado internacional, aumentando as frequências para Miami e Paris. Em 2005 chegou a Nova York, em 2006 a Londres e em 2007 a Milão, Frankfurt novamente e Madrid, todas rotas inauguradas pelo A330-200. Em 2011 a Tam chegou a operar 20 A330 simultaneamente. Mas o reinado do A330 estava chegando ao fim. O segundo wide-body operado pela Tam foi o MD-11, arrendados pela Boeing enquanto os B777 não chegavam, logo seguidos pelos A340-500 oferecidos pela Airbus, em 2007. Em 2008 chegaram os Boeing 767-300, que iriam ficar temporariamente na frota, e os primeiros Boeing 777-300ER, que passou a ser a maior aeronave da frota. O substituto dos Airbus A330-200 seriam os Airbus A350-900, encomendados originalmente em 2007, porém após a fusão com a Lan, em 2012, os planos mudaram. O Boeing 767 foi definido como substituto do A330 até a chegada dos A350. Em 2013 a Tam começou a receber os seminovos Boeing 767-300ER vindos da Lan para substituir os A330. Os B767 começaram a substituir os A330 nas rotas para os EUA (Miami, Nova York e Orlando), depois passaram para Europa, na rota para Madrid. A rota para Milão foi assumida pelo Boeing 787 da Lan e as rotas para Londres, Paris e Frankfurt já estavam sendo servidas apenas pelos B777. Em 2015 as rotas regulares do A330 firam restritas ao México, Montevidéu e Assunção. O último voo regular foi realizado pela aeronave prefixo PT-MVQ, partindo da Cidade do México e chegando em São Paulo no dia 4 de abril de 2016.