2015 bildeten Massa und Bottas erneut das Williams-Fahrerduo. Beim Großen Preis von Österreich wurde er Dritter. Beim nächsten Rennen in Großbritannien übernahm Massa die Führung beim Start und führte das Rennen in der Anfangsphase an. Er fiel aber im Rennverlauf auf den vierten Platz zurück. Vor dem Großen Preis von Italien wurde Massa für eine weitere Saison bei Williams bestätigt. In dem Grand Prix erzielte er mit dem dritten Rang die zweite Podiums-Platzierung der Saison. In Singapur fiel Massa zum ersten Mal in der Saison aus. Beim Großen Preis von Russland fuhr Massa vom 15. Startplatz auf Platz vier. Er verbesserte sich auf den sechsten Platz in der Weltmeisterschaft und unterlag Bottas mit 121 zu 136 Punkten.