Massa 2002-ben került az autóversenyzés királykategóriájába. Első évében egyből versenyzői ülést kapott a Saubernél. Következő esztendejét a Ferrari tesztpilótájaként töltötte, majd 2004-ben visszakerült első csapatához, és további két éven keresztül versenyezhetett náluk.
A 2006-os évadra visszatérhetett a maranellói istállóhoz, azonban ezúttal már – Michael Schumacher csapattársaként – hétről hétre versenyképes autóban mérhette össze magát a legjobbakkal.
2008-ban kis híján világbajnoki címet szerzett, ráadásul hazai pályán: a szezonzáró Brazil Nagydíj előtt hét ponttal állt Lewis Hamilton mögött, ami azt jelentette, hogy Massának az első két hely valamelyikén, Hamiltonnak pedig az ötödik pozíciónál hátrébb kellett volna végeznie ahhoz, hogy a Ferrari versenyzője lehessen világbajnok. Massa ugyan megnyerte az interlagosi futamot, ám a fiatal brit az utolsó körben megelőzte az addig ötödik helyen autózó Timo Glockot, így végül a brit lett az összesített győztes.
Karrierje másik emlékezetes – és sajnálatos – pillanata éppen a Hungaroringen következett be, 2009-ben: az időmérő edzés második szakaszában a pálya egyik gyors szakaszán haladva egy Rubens Barrichello autójáról leszakadó rugó fejen találta. Massát életveszélyes sérülésekkel szállították kórházba, ám hosszú rehabilitáció után teljesen felépült. Abban a szezonban viszont már nem állhatott rajthoz.
2014-ben a Williams csapatához igazolt, és 2016 végén jár le a szerződése, amelyet nem hosszabbítanak meg, így az év végén távozik a 35 esztendős pilóta. Mindezidáig 41 alkalommal állhatott dobogóra, és 11-szer látta meg elsőként a kockás zászlót.