En 2005, Massa reste chez Sauber, aux côtés désormais de Jacques Villeneuve, champion du monde 1997, et se déclare prêt pour le combat contre son coéquipier. Comme en 2004, c'est lui qui ouvre le score de Sauber, en terminant septième à Bahreïn. À Monaco, alors que les deux pilotes sont dans les points, ils se percutent et ruinent leurs chances de bien figurer en course ; si Villeneuve accuse Massa d'avoir provoqué leur accrochage, ce dernier se justifie par le comportement de ses pneumatiques. Il réalise sa meilleure performance lors du Canada, en terminant quatrième. Le , il est choisi pour remplacer son compatriote Rubens Barrichello au sein de la Scuderia Ferrari en 2006. Il termine la saison avec une notable sixième place en Chine et se classe treizième du championnat du monde avec onze points, ayant pris l'ascendant sur un coéquipier en fin de carrière, lequel termine quatorzième avec neuf unités.