Selepas menimba pengalaman dan kadar kesilapan beliau semakin menurun, Sauber menandatangani semula Massa untuk musim 2004. Pada tahun 2004, Massa memperoleh 12 daripada 34 mata untuk Sauber, dengan keputusan terbaiknya pada masa tersebut dengan mendapat tempat ke-4 dalam Grand Prix Belgium. Rakan pasukannya, Giancarlo Fisichella, memperolehi 22 mata untuk pasukan tersebut. Pada tahun 2005, Massa kekal bersama Sauber. Walaupun dia hanya memperolehi 11 mata, Massa mengatasi Jacques Villeneuve dalam keseluruhan musim, dan menewaskan beliau dalam kejuaraan pemandu. Bagi musim 2006, Massa menyertai semula Ferrari sebagai pemandu kedua mereka, bersama juara dunia 7 kali, Michael Schumacher.