Il rejoint la Scuderia Ferrari avec un contrat de trois ans, et obtient sa première victoire, ainsi que son quarantième succès personnel, dès le deuxième Grand Prix de la saison 2015, en Malaisie. En gagnant sa troisième course pour Ferrari le à Singapour, Sebastian Vettel dépasse Ayrton Senna au troisième rang des pilotes victorieux en Formule 1, avec quarante-deux succès. Pour sa première saison avec l'écurie de Maranello, il accumule treize podiums et finit la saison à la troisième place du championnat pilotes. L'année suivante, Ferrari et Vettel ne remportent aucune course et doivent attendre dix-huit mois, du Grand Prix de Singapour 2015 à celui d'Australie 2017 pour renouer avec la victoire ; en août, son contrat est prolongé pour trois années supplémentaires. Il remporte quatre autres Grands Prix durant cette saison et termine vice-champion du monde derrière Lewis Hamilton. En 2018, il gagne cinq courses et monte sur douze podiums mais une série d'erreurs en deuxième partie de saison, le conduit une nouvelle fois à la deuxième place d'un championnat remporté pour la cinquième fois par Hamilton. La saison suivante, il ne remporte qu'une seule victoire, et obtient son pire classement depuis qu'il est au sein de l'équipe en terminant à la cinquième place du championnat pilotes.