Pur rispettando gli accordi con McLaren anche per la stagione 2020, inizialmente rinviata a causa della pandemia di COVID-19, il 14 maggio 2020 lo spagnolo sigla un contratto biennale con la Ferrari, valevole a partire dal 2021, in sostituzione di Vettel. L'ultima stagione nella scuderia britannica si apre con un convincente quinto posto nel Gran Premio d'Austria, miglior risultato in carriera dell'iberico su tale tracciato. Sempre nello stesso circuito, in occasione del seguente Gran Premio di Stiria, Sainz segna il suo primo giro più veloce in carriera, stabilendo peraltro il nuovo record di tempo su pista. Il 6 settembre 2020, Sainz conquista il suo primo secondo posto in carriera, nel rocambolesco Gran Premio d'Italia, riportando la McLaren sul podio di Monza dopo 8 anni dall'ultima volta.