Massa ajoi kauden kuudessa ensimmäisessä osakilpailussa pisteille, ollen parhaimmillaan viides Australiassa ja Venäjällä. Massa joutui keskeyttämään Kanadassa auton ylikuumennuttua liikaa. Itävallassa Massan autoon jouduttiin vaihtamaan etusiipi ennen lämmittelykierrosta, ja sen seurauksena Massa joutui starttaamaan kilpailuun varikolta, koska auton kanssa ei saa tehdä aika-ajojen jälkeen mitään toimenpiteitä. Massa joutui myöhemmin keskeyttämään Itävallan GP:n. Unkarin GP:n aika-ajoissa Massa törmäsi seinään sadekelillä ja jäi ruutuun 18 ja ajoi myös maaliin samalla sijalla. Saksassa Massan kilpailu jäi kesken auton vaurioiden seurauksena, jotka tulivat kolarista Jolyon Palmerin kanssa. Kotikilpailussa Brasiliassa Massa ajoi ulos ja joutui keskeyttämään. Kauden viimeisessä osakilpailussa Abu Dhabissa 27. marraskuuta 2016 hän sijoittui yhdeksänneksi. Massa ilmoitti Monzassa lopettavansa F1-uransa kauden päätteeksi, mutta kuitenkin perui uransa lopettamisen entisen tallikaverinsa Valtteri Bottaksen siirryttyä Mercedekselle Nico Rosbergin tilalle. Williamsin ehtona Bottaksen siirtymiselle oli, että Williamsin uusi tulokaskuljettaja Lance Stroll saa parikseen kokeneen kuljettajan. Bottaksen siirtymisen myötä Massa päätti palata Williamsille kaudeksi 2017.