Etter to sesonger for McLaren, gikk Sainz til Scuderia Ferrari for 2021-sesongen, og han fikk Charles Leclerc som lagkamerat. Sainz tok sin første Formel 1-seier da han vant Storbritannias Grand Prix 2022. Han vant også Singapores Grand Prix 2023, hvor han ble den eneste ikke Red Bull Racing-fører som vant et løp i 2023-sesongen. Før Saudi-Arabias Grand Prix 2024 fikk han påvist blindtarmbetennelse, og Formel 2-fører Oliver Bearman vikarierte for ham resten av løpshelgen. Bare to uker etterpå vant Sainz Australias Grand Prix, etter at Verstappen måtte bryte på grunn av bremseproblemer.