2006年、フェラーリに移籍。開幕戦バーレーンGPでは予選で2位を獲得した。第2戦マレーシアGPでは21番グリッドからのスタートだったにも関わらず果敢な走りを見せて5位入賞。14番手スタートから6位を獲得したシューマッハを上回った。しかし序盤は安定性に欠け、バーレーンではレース中にスピン。オーストラリア、モナコでは予選中にクラッシュとチームメイトに比べると見劣りする場面が多々あった。第5戦ヨーロッパGPでは3位でゴールし、初の表彰台を獲得した。第14戦トルコGPにて参戦4年目にして初ポールポジションを獲得。決勝レースでも安定した走りを披露し、初優勝をポールトゥウィンで飾った。第17戦日本GPでは、2度目のポールポジションを獲得したものの、レースでは2位に終わった。続く最終戦ブラジルGPでは、2戦連続のポールポジション獲得から、自身2度目の優勝を母国で果たし、チームメイトのシューマッハの引退レースに花を添えた。また、この勝利は1993年のアイルトン・セナ以来、13年ぶりのブラジル人による母国優勝でもあった。そのウィニングランではコースマーシャルから渡されたブラジル国旗を掲げて走る姿を披露した。
2005年、チームメイトは1997年のワールドチャンピオンジャック・ヴィルヌーヴ。この年は概ね安定感のある走りを披露し、多くのレースでヴィルヌーヴを上回るパフォーマンスを見せたものの、最終的に前年より獲得ポイントを下げた。最終戦で6位入賞し、ポイントでビルヌーブを逆転した。2006年に向けてフェラーリとレースドライバー契約を結び、ミハエル・シューマッハのチームメイトとなることが決まる。
2004年、フェラーリからの推薦によりザウバーからF1復帰を果たす。この年はチームメイトのジャンカルロ・フィジケラにレースペースで遅れをとることが多かったが、第14戦ベルギーGPでは、自身決勝最高位の4位でフィニッシュ。第16戦中国GPと最終戦ブラジルGPでも、予選で自身最高位の4番グリッドを獲得するなどの活躍を見せた。最終的にシーズンで12ポイントを挙げたが、22ポイントを獲得したフィジケラと比べると、見劣りする結果となった。
2002年、マクラーレンへ移籍したキミ・ライコネンの後任として、20歳312日という若さでF1デビューを飾った。デビュー2戦目・マレーシアGPでの6位入賞で初のポイントを獲得するも、この頃にはミスも多く、第11戦フランスGPではピットレーン出口の白線を2回跨いだことでそれぞれドライブスルーペナルティの処分が与えられた。また、第15戦イタリアGPではジャガーのペドロ・デ・ラ・ロサとの接触で翌戦の10グリッド降格ペナルティを言い渡されたため、ペナルティの回避目的でアメリカGPのシートをハインツ＝ハラルド・フレンツェンに譲った。最終的に入賞は3回、ランキング13位でシーズンを終える。シーズン終盤には、ザウバーが2003年のラインナップとしてチームメイトのニック・ハイドフェルド、代役として出場したフレンツェンの2名を登用することを決定し、マッサはそれに伴ってフェラーリに移籍。2003年シーズン中はテストドライバーを務めた。
祖父はイタリアのフォッジャ県チェリニョーラからの移民で、イタリア移民としては比較的最近の世代の家系に生まれた。8歳でカートレーシングを始め、国内外の選手権で9年間活動した。1998年にカートからジュニアフォーミュラにステップアップし、フォーミュラ・シボレーのブラジル選手権に参戦。初年度にランキング5位を獲得し、翌年には10戦中3勝を挙げ選手権タイトルを獲得した。2000年にはヨーロッパへ渡り、フォーミュラ・ルノーのイタリア選手権とユーロカップに参戦し、両選手権ともにタイトルを獲得した。2001年にはF3へステップアップする機会を得たが、イタリアを中心に開催されているユーロF3000（現・ユーロ3000選手権）への参戦を選び、参戦初年度にもかかわらず8戦中6勝を挙げるという圧倒的成績でタイトルを獲得した。この活躍に注目したザウバーからF1テストの機会を与えられ、テストの結果ザウバーとの契約を勝ち取り、翌年からF1参戦を果たす。
ヴァイオリニストの母親から手ほどきを受け5歳からヴァイオリンを始める。なお父親はチェリストであった。1975年、10歳でモーツァルトのヴァイオリン協奏曲第3番を弾いてデビュー。1976年にエッセンのフォルクヴァング音楽院に入学、ヴァレリー・グラドフ (Valery Gradov) に師事する。同年には全国青少年音楽家コンクールで優勝して「天才少年出現」として評判になる。その後、ベルリン芸術大学でサシュコ・ガヴリーロフに師事する。1979年、14歳でルツェルン音楽祭に出演。1980年からはヘルマン・クレバース（ロイヤル・コンセルトヘボウ管弦楽団コンサートマスター）に師事する。1981年にはソビエトでデビュー、1984年にはロリン・マゼール指揮ピッツバーグ交響楽団の演奏会でアメリカデビューを果たすなど、10代から華々しい活動を行う。初来日は、1983年6月、若杉弘指揮ケルン放送交響楽団のソリストとしてだった。2007年、ヴィオリストのアントワン・タメスティ、チェリストのクリスチャン・ポルテラと共に『トリオ・ツィンマーマン』を結成。室内楽活動も盛んに行っている。バッハ、モーツァルト、ベートーヴェンやブラームスなど独墺系の正統派のレパートリーで高名だが近現代作品にも造詣が深く ベルク、バルトーク、ショスタコーヴィチやマルティヌーのヴァイオリン協奏曲をレパートリーとしている。また近年には2015年に、マグヌス・リンドベルイのヴァイオリン協奏曲第2番をヤープ・ヴァン・ズヴェーデン指揮ロンドン・フィルハーモニー管弦楽団と共に世界初演。マティアス・ピンチャーのヴァイオリン協奏曲《en sourdine》（2003、共演：ペーテル・エトヴェシュ指揮ベルリン・フィルハーモニー管弦楽団）、グロマイヤー賞2009を受賞したブレット・ディーンのヴァイオリン協奏曲《The Lost Art of Letter Writing》（2007、共演：ディーン指揮ロイヤル・コンセルトヘボウ管弦楽団）、オーガスタ・リード・トーマスのヴァイオリン協奏曲第3番《Juggler in Paradise》世界初演者でもある。これまで、シエナのキジアーナ音楽院賞（1990）、ライン文化勲章（1994）、デュースブルク市音楽賞（2002）、ドイツ連邦共和国功労勲章一等功労十字章(2008)、ハーナウ市パウル・ヒンデミット賞(2010)などを授与されている妻はドイツのオーケストラのヴァイオリン奏者、息子セルゲ・ツィンマーマンもヴァイオリニストとして活動している。