Op 15 januari 2017 bevestigde het team Williams de terugkeer van Massa, terwijl zijn voormalige teamgenoot Bottas de overstap maakte naar Mercedes. Hij werd hier de teamgenoot van de debuterende Lance Stroll. Massa kende een goede start van het seizoen met twee zesde plaatsen in Australië en Bahrein, maar zakte hierna weg en behaalde niet beter dan een achtste plaats. Hij moest de Grand Prix van Hongarije overslaan, nadat hij voor aanvang van de kwalificatie ziek was geworden. Voorafgaand aan zijn thuisrace in Brazilië maakte hij bekend, dat hij aan het eind van 2017 definitief afscheid zou nemen van de Formule 1.