En 2002 la escudería Sauber le ofreció una butaca titular junto a Nick Heidfeld. A pesar de demostrar condiciones para competir en la máxima categoría, Massa cometió varios errores y se fue fuera de pista en más de una ocasión.

Fue reemplazado por Heinz-Harald Frentzen en Sauber y se marchó a Ferrari como piloto de pruebas. Sus buenos resultados en los ensayos hicieron que Peter Sauber volviera a requerir sus servicios en 2004, esta vez junto al italiano Fisichella. A pesar del irregular comienzo, tuvo una buena actuación durante la segunda mitad del campeonato. Felipe permaneció en la escudería suiza en 2005.

Ferrari confirmó el fichaje de Massa para 2006 en sustitución del también brasileño Rubens Barrichello. Massa conseguió varios podios y dos victorias, además de tres 'poles'. Finalizó tercero en el campeonato por delante del que fue compañero suyo en Sauber, Giancarlo Fisichella.