Massa aloitti uransa Sauberissa ennen kuin liittyi Scuderia Ferrarin testiajaksi vuonna 2003. Hän palasi Sauberiin vuosina 2004 ja 2005 ennen kuin palasi Ferrarille, jossa hän voitti kaksi kilpailua vuonna 2006, mukaan lukien kotimaisen Grand Prix -kilpailunsa, ja hänestä tuli ensimmäinen brasilialainen Ayrton Sennan jälkeen, joka voitti Brasilian Grand Prix -kilpailun. Massa voitti kolme kilpailua vuonna 2007 ja sijoittui neljänneksi kuljettajien mestaruudessa. Hän pääsi toiseksi kuljettajien maailmanmestaruudessa Lewis Hamiltonin kanssa käytyään pitkän mestaruusottelun jälkeen, voittaen kuusi kilpailua Hamiltonin viiteen. Vuoden 2009 Unkarin Grand Prixissä
Massa loukkaantui Rubens Barrichellon Brawn GP -autosta. Massa joutui jäämään pois lopun kaudesta, mutta palasi vuonna 2010. Massa kärsi pudotuksesta vuonna 2011 eikä saavuttanut palkintopisteitä, mutta sai jatkuvasti pisteitä. Massa osallistui Ferrarin valmistajien mestaruuteen vuosina 2007 ja 2008 ja hänellä oli sopimus kilpailla joukkueessa kauden loppuun asti. 10. syyskuuta 2013 hän vahvisti jättävänsä Ferrarin vuoden 2013 kauden lopussa. Massa korvasi pastori Maldonadon Valtteri Bottasin kanssa Williamsissa vuodesta 2014.