Massa memulai karir Formula Satu dengan Sauber sebelum bergabung dengan Scuderia Ferrari sebagai pembalap tes untuk tahun 2003. Dia kembali ke Sauber untuk tahun 2004 dan 2005 sebelum bergabung kembali dengan Ferrari di mana ia memenangkan dua balapan pada tahun 2006 termasuk Grand Prix rumahnya menjadi Brasil pertama sejak Ayrton Senna untuk memenangkan Grand Prix Brasil. Massa memenangkan tiga balapan pada tahun 2007, menempati posisi keempat di Kejuaraan Pengemudi. Dia menempati posisi kedua di Kejuaraan Dunia Pembalap setelah pertarungan panjang dengan Lewis Hamilton, memenangkan enam balapan dari lima balapan Hamilton. Pada Grand Prix Hungaria 2009
, Massa terluka oleh spring suspensi dari mobil Brawn GP dari Rubens Barrichello. Massa terpaksa absen selama sisa musim tetapi kembali pada tahun 2010. Massa mengalami penurunan dalam bentuk pada tahun 2011 tidak mencetak podium tetapi secara konsisten mencetak poin. Massa berkontribusi pada Ferrari's Constructors' Championships pada tahun 2007 dan 2008 dan berada di bawah kontrak untuk balapan untuk tim sampai akhir musim. Pada 10 September 2013, ia mengkonfirmasi bahwa ia akan meninggalkan Ferrari pada akhir musim 2013. Massa menggantikan Pastor Maldonado bersama Valtteri Bottas di Williams dari tahun 2014.