Bandini venne quindi confermato in Ferrari per il 1964, con il ruolo di secondo pilota. In quell'anno, il pilota emiliano ottenne i suoi risultati migliori. Tornò sul podio in Germania, dopo il quinto posto in Gran Bretagna, e ottenne, il 23 agosto la sua prima (e unica) vittoria in un Gran Premio valido per il Campionato Mondiale di Formula 1: è il Gran Premio d'Austria a Zeltweg, che si aggiudicò precedendo di 6,18 secondi Richie Ginther su BRM. Il terzo posto in Italia fece da antifona all'ulteriore podio conquistato nell'ultima gara, in Messico. Qui Bandini giunse nuovamente terzo, dopo aver dato un valido contribuito al compagno di scuderia John Surtees, avendo tenuto dietro per diversi giri il diretto rivale di quest'ultimo per la conquista del titolo, Graham Hill, con cui ebbe anche un piccolo incidente. Surtees vinse il titolo grazie anche al contributo di Bandini, che si classificò quarto con ben 23 punti. Poche settimane dopo la gara, però, si scatenarono alcune polemiche sul comportamento tenuto dal pilota italiano, che ricevette una lettera in cui venne criticato per la sua guida da Peter Garnier e Jo Bonnier, rispettivamente segretario e presidente della Grand Prix Drivers' Association. Bandini respinse le accuse, liquidando il contatto con Hill come normale incidente di gara.