Felipe réussit à marquer un point dès sa seconde course, en Malaisie, mais par la suite, il se montrera assez brouillon et un peu retrait par rapport à son équipier Nick Heidfeld. Il sera plus à son avantage durant la seconde moitié de l'année, mais cette période coïncide avec le déclin des Sauber, et il se retrouvera dans le ventre mou du peloton. Au GP d'Italie, il est déclaré responsable d'un incident avec Pedro de la Rosa et est pénalisé pour les qualifications de la course suivante à Indianapolis. Signe d'une future disgrâce, Sauber décide de le remplacer pour cette épreuve par Heinz-Harald Frentzen...Ainsi, globalement décevant, il ne conserve pas son volant pour l'année suivante, Sauber ayant préféré rappeler comme titulaire l'expérimenté Frentzen.
En 2003, Massa reste malgré tout en F1, en effectuant des essais pneumatiques pour la Scuderia Ferrari, ce qui en cette saison de canicule et de déclin pour les pneus Bridgestone n'a rien d'une sinécure. Comme Ferrari fournie également des moteurs à Sauber, le team suisse le réengage pour 2004 au côté de Giancarlo Fisichella, Frentzen ayant finalement décidé de mettre un terme à sa carrière en F1 après une dernière saison décevante.
Felipe se sort bien de la confrontation avec Fisichella, alors présenté comme un « briseur de carrière ». Il marque douze points et réussit l'exploit de mener quelques tours devant son public au GP du Brésil, avant de devoir s'arrêter pour ravitailler. Il réalise son meilleur résultat à Spa Francorchamps avec la quatrième place, acquise après une course à rebondissements. Sa saison est également marquée par une grosse frayeur à Montréal, quand sa monoplace soudainement privée de freins s'encastre avec une rare violence dans le mur de pneus. Heureusement, Felipe s'en sort sans dommage. Au final, Peter Sauber est cette fois satisfait du jeune Pauliste, et renouvelle son contrat pour 2005.
Associé au revenant Jacques Villeneuve, la saison de Felipe sera difficile. La C24, prometteuse durant les essais d'hiver, se révèle décevante et l'équipe ne parvient à décoller du ventre mou. Felipe réussit malgré tout à dominer légèrement son illustre équipier et à marquer quelques points lorsque la situation le permet, comme au Canada où il finit brillant quatrième. Dans l'ensemble, Felipe n'a pas grand-chose à se reprocher dans l'échec de cette saison. Son niveau semblant s'améliorer sans cesse, la Scuderia Ferrari décide de le réengager pour 2006...mais cette fois-ci comme titulaire !
En 2006, Felipe a donc l'occasion de montrer ce dont il est capable au sein d'un team prestigieux, aux côtés du non moins célèbre Michael Schumacher.
Les débuts seront difficiles : certes, pour la première course à Bahreïn, il est en première ligne derrière Schumacher, mais il ne finit que 9ème après un tête à queue en début de course. La semaine suivante, il réussit un beau résultat, en finissant cinquième devant son équipier. C'est au cinquième GP, au Nurbürgring, que Massa réussit enfin à accrocher le podium en prenant le troisième place. A partir de l'été, la Ferrari monte en puissance et Felipe va devenir un habitué des podiums. A Indianapolis, il finit second après avoir mené trente tours. Au GP de Turquie, Massa signe enfin le week-end parfait : après avoir signé sa première pôle position le samedi, il n'est jamais inquiété le dimanche et décroche à 25 ans sa première victoire en F1. Lors de la dernière course, il doublera la mise avec une victoire facile, et pas n'importe où : au Brésil ! Massa est ainsi le premier pilote depuis Senna en 1993 à gagner à domicile.
Au final, il finit 3ème du championnat, derrière Alonso et Schumacher. Ce dernier décide alors de se retirer, et c'est Kimi Raïkkonen qui devient l'équipier de Massa en 2007.
Le Brésilien commence mal sa saison. En Australie, un problème technique l'ayant relégué en 22ème position sur la grille de départ, il ne finit que sixième alors que Raïkkonen l'emporte. En Malaisie, Massa est en pôle, mais loupe son départ et part à la faute derrière Lewis Hamilton. Il ne termine qu'à une piètre cinquième place. Mais il va se ressaisir bien vite : au Bahreïn, il part en pôle et remporte une victoire facile sans être inquiété le moins du monde. A Barcelone, encore premier sur la grille de départ, il gagne à nouveau devant Hamilton. Au GP de Monaco, il ne peut faire mieux que 3ème derrière les deux McLaren d'Alonso et Hamilton. Cette situation est d'ailleurs la même à cet instant au classement général. Au GP du Canada, Massa commet une erreur en sortant des stands au feu rouge, ce qui le disqualifie alors qu'il aurait pu viser le podium. Aux USA, les McLaren dominent et le Brésilien assure la 3ème place. A la mi-saison, Massa est en course pour décrocher le titre mais surtout, devance nettement son équipier Räikkönen, dont l'adaptation au sein de la Scuderia ne se fait pas sans mal.
A partir du GP de France, retournement de situation: Ferrari retrouve le leadership au détriment de Mclaren. Massa en profite en signant la pôle, mais le dimanche, c'est son équipier Raïkkonen qui gagne après l'avoir passé lors du dernier relai. A Silverstone, il ne finit que cinquième après avoir calé au départ et perd encore des points contre le leader de championnat Hamilton. Au Nürburgring, Felipe domine la course quand la pluie qui intervient à quelques tours du but permet à Alonso de remonter sur lui et à le dépasser à trois boucles de l'arrivée. Massa perd ainsi des points précieux et va dès lors rentrer dans le rang : treizième en Hongrie après un week-end de cauchemar, il gagne trois semaines plus tard en Turquie, conservant ainsi ses chances au championnat. Mais un abandon à Monza, le seul de la saison, le laisse sur le carreau dans la course au titre. Il va dès lors se mettre au service de Räikkönen, revenu du diable vauvert, dans sa quête du titre mondial. Lors de la dernière manche au Brésil, il laisse ainsi la victoire au Finlandais afin que ce dernier décroche la couronne mondiale. Massa termine finalement quatrième du championnat, à seize longueurs de son équipier champion du monde.
Il courra toujours en 2008 chez Ferrari, son contrat ayant été prolongé jusqu'en 2010.
