2020 wurde im Mai bekannt, dass Sainz in der Saison 2021 und 2022 für Ferrari an den Start gehen wird, wo er die Nachfolge von Sebastian Vettel antritt. Er erhielt einen Zweijahresvertrag. Beim Großen Preis von Italien holte er als Zweiter sein zweites Podium. Er beendete die Saison auf dem sechsten Platz der Fahrerwertung mit 105 Punkten. Damit wiederholte er seine bisher beste Endplatzierung vom Vorjahr.