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O chassi era um dos elementos mais interessantes do Vallelunga. Consistia em uma larga caixa no túnel central do carro, que servia de estrutura para a fixação das suspensões nas extremidades. O motor e o transeixo na traseira tinham função estrutural, como apoio para a suspensão posterior, uma receita típica das pistas. Com esse conceito incomum nas ruas, embora semelhante ao do Lotus Elan, a De Tomaso conciliou leveza e rigidez: o peso da versão definitiva chegara a 700 kg. A distribuição de massas era ótima: 47% à frente e 53% atrás, que ficava muito perto de 50/50 com dois ocupantes a bordo.

Para motorizar seu primeiro carro de rua, a empresa recorreu ao consagrado motor Kent do Ford Cortina britânico (da mesma família dos 1,0 e 1,3-litro usados aqui no Ka e no Fiesta), com quatro cilindros em linha, 1.498 cm³ e comando de válvulas no bloco. Uma preparação para uso esportivo, incluindo dois carburadores Weber 40 de fluxo horizontal e taxa de compressão de 10,3:1, levava a potência de 78 cv (do Cortina GT) para 105 cv a 6.500 rpm, com torque máximo de 17,7 m.kgf a 3.600 rpm. Era o suficiente para dar bom desempenho ao leve cupê, com velocidade máxima declarada de 200 km/h, mas havia uma opção ainda mais quente, de 135 cv.

O câmbio traseiro, com engrenagens Hewland em uma caixa Volkswagen, já tinha cinco marchas (algumas unidades saíram com quatro no início). As relações eram tão próximas nas três superiores que a queda de giros nas trocas não passava de 1.000 rpm. As suspensões eram independentes e a de trás vinha diretamente do De Tomaso de Fórmula 3 da época. Como é normal em carros de motor central, seu comportamento era arisco, com estabilidade muito boa até que o limite fosse atingido – então, lá vinha um forte sobresterço para exigir mãos habilidosas.

As quatro rodas (de 13 pol) dispunham de freios a disco, então um requinte, e eram produzidas em magnésio pela famosa Campagnolo especialmente para o automóvel. As dianteiras tinham tala de 5,5 pol e pneus 145-13, e as traseiras, 6,5 pol e 175-13. A caixa de direção era de pinhão e cremalheira, para respostas precisas. Dirigir o Vallelunga era uma experiência similar a pilotar um carro de competição compacto. Malcolm McKay escreveu para a revista From Thoroughbred and Classic Cars de agosto de 1997: "O motor é literalmente ensurdecedor. Protetores auriculares são essenciais se você quer curtir a direção deste carro, e você vai curtir. (...) Você tem uma receita para séria diversão em estradas abertas e circuitos."

McKay descrevia o comportamento do motor: "Até 2.500 rpm o motor é bem tratável e o ruído é, digamos, tolerável. Acima desse regime surge uma grande vibração que faz tremer todo o carro, você não vê nada pelos retrovisores e o melhor conselho é continuar acelerando até 3.500, quando ele se torna suave novamente, embora acompanhando por um boom de causar dores de cabeça. Esta é a maior desvantagem do carro: todas as vibrações do motor, transmissão e suspensão são amplificadas pelo chassi, espalhadas pelo interior e transmitidas como uma massagem masoquista ao motorista".

Além do alto nível de ruído, o pequeno De Tomaso trazia outros inconvenientes a quem esperava conforto e suavidade. Os engates do câmbio eram um tanto difíceis (sobretudo com a caixa ainda fria) e a disposição das marchas era incomum para um carro de rua, com as ímpares para frente e a ré, a segunda e a quarta para trás – a ré ficava no lugar onde se esperava encontrar a segunda.

Há polêmica sobre o total de Vallelungas produzidos, mas não foram muitos: a Ghia informa 50 carrocerias, que se somariam aos protótipos da Fissore, enquanto Santiago De Tomaso, o filho mais velho de Alejandro, fala em 58. Sabe-se que apenas um teve volante do lado direito, feito sob encomenda para Ronnie Hoare, importador inglês da Ferrari, em Bournemouth. Qualquer que seja o número, essa série limitada tornou o Vallelunga especialmente raro e valioso dentro de uma marca, por si só, exclusiva.