Nel 2021 diventa pilota della Scuderia Ferrari, affiancando Charles Leclerc. Il 28 gennaio 2021 Sainz guida la sua prima monoposto Ferrari, la SF71H, sul Circuito di Fiorano, per dei test privati organizzati della Ferrari. Nella prima gara della stagione, il Gran Premio del Bahrein, Sainz arriva ottavo, mantenendo il posto che aveva ottenuto il giorno prima nelle sessioni di qualifica. Il primo podio con la Ferrari arriva nel Gran Premio di Monaco, con un secondo posto dietro a Max Verstappen. In Austria, dopo un'eliminazione in Q2, Sainz rimonta fino alla sesta posizione, diventata quinta in seguito a una penalità di Sergio Pérez. Il 1 agosto 2021, nel Gran Premio d'Ungheria, Sainz conquista il suo secondo podio in stagione al suo primo anno nella scuderia di Maranello finendo la gara in quarta posizione, diventata successivamente una terza posizione a causa della squalifica di Sebastian Vettel al termine del gran premio.