A brazil első évében nem szerepelt igazán jól, amatőr hibákat vétett, ezért 2003-ra versenyzői ülés nélkül maradt, ezalatt a Ferrari tesztpilótájaként dolgozott. 2004-ben Peter Sauber újra leszerződtette, másodszorra két évig versenyzett a csapatnál.
2006-ban honfitársát, Rubens Barrichellót váltotta Michael Schumacher mellett a Ferrarinál, így ő lehetett a hétszeres világbajnok utolsó csapattársa. Első versenyét, a Török Nagydíjat is ebben az évben nyerte.
2007-ben Massa az idény nagy részében a bajnoki esélyesek között volt, de végül Kimi Räikkönent kellett támogatnia a cím megszerzésében. 2008-ban fordult a kocka: a brazil ugyan siralmasan, kiesésekkel kezdte az idényt, de erőre kapott, olyannyira, hogy a szezonzáró Brazil Nagydíjon bajnokként ért át a célvonalon, végül azonban Lewis Hamilton utolsó pillanatban végrehajtott előzése miatt csak másodikként zárta az idényt.
A brazil 2009-ben a gyenge Ferrarival nem sokra ment, mindössze a Német Nagydíjon állhatott fel a dobogó harmadik fokára, a következő futamon pedig már el sem indult, hiszen a Magyar Nagydíj időmérőjén súlyos balesetet szenvedett, amikor egy, Rubens Barrichello autójából elszabadult rugó nagy sebességnél fejen találta. Massa az idény teljes második felét kihagyta, a baleset 2010-es teljesítményére is rányomta bélyegét: csak másodhegedűs volt Fernando Alonso mellett. 2011-ben is folytatódott a brazil vergődése, miközben Alonsónak győzelemre is futotta, legjobb eredménye csak ötödik hely volt. Ha 2012-ben nem talál magára, repül a Ferraritól.
