Para la temporada de Fórmula 1 de 1966, hubo un cambio en las regulaciones técnicas que permitía motores de 3 litros. Los equipos de F1, a pesar de haber solicitado "el regreso al poder", se encontraron sorprendidos y poco preparados para la transición. Cuando el coche apareció en los circuitos internacionales en 1966, coincidió con una etapa de cambio en la Fórmula 1. La mayoría de los equipos utilizaban motores Coventry-Climax ampliados, Lotus probaba los motores H16 de BRM, y Brabham encargó a Repco unos V8 relativamente sencillos. Cooper recibió motores V12 de Maserati derivados de un diseño de los años cincuenta. El V12-Weslake para el AAR Eagle de Dan Gurney se retrasó tanto como el V8 Ford-Cosworth, que no debutó hasta 1967.

Las nuevas reglas para motores atmosféricos de tres litros y sobrealimentados de 1,5 litros parecían favorecer a Ferrari, que ya tenía gran experiencia con su V12 de tres litros.^[1]​ El primer coche de Ferrari de 1966 consistía en un motor V12 de 3,3 litros tomado de los prototipos deportivos Ferrari 275P2, modificado a 3000 cc y montado en la parte trasera de un chasis de F1. Sin embargo, el nuevo coche resultaba muy grande e imponente, quizás demasiado frente a los rivales ingleses mucho más ligeros. Su aerodinámica, con flancos despejados, era buena y fruto de investigaciones que llevarían a Forghieri a introducir alerones para generar carga aerodinámica por primera vez en la historia del deporte. El Ferrari 312 F1 parecía tener potencial para ser un coche victorioso e incluso luchar por títulos. Sin embargo, la Scuderia dedicó buena parte de la primera mitad de la temporada a los coches deportivos y sufrió además la histórica derrota frente a Ford en Le Mans. El motor resultaba bastante pesado y, con la reducción de cilindrada, tenía menos potencia y especialmente menos par motor. Rápidamente se hizo evidente que el coche, con unos 600 kg, era demasiado pesado y que el V12 no ofrecía suficiente potencia. John Surtees lo condujo sin éxito en Mónaco, mientras Lorenzo Bandini pilotó un Ferrari 246 Tasman con motor V6 de 2,4 litros, aunque con menor rendimiento.

Surtees ganó la segunda carrera, el Gran Premio de Bélgica de 1966 en Spa-Francorchamps bajo la lluvia, un circuito que favorecía la potencia con sus largas rectas. Sin embargo, no completó la temporada con Ferrari debido a desacuerdos internos. También Dunlop dejó de suministrar neumáticos, siendo reemplazado por Firestone. El campeón de 1964 abandonó el equipo tras una disputa con el director Eugenio Dragoni una semana después de Le Mans. El problema se refería a las prioridades en las carreras, ya que Ferrari estaba bajo fuerte presión de Ford en los coches deportivos, descuidando parcialmente la F1. Mike Parkes reemplazó a Surtees, quien pasó a Cooper —con motores Maserati— y aún terminó segundo en el campeonato con otra victoria.

Ferrari empezó entonces a prestar más atención a la Fórmula 1. El equipo también se vio obligado a abandonar dos Grandes Premios, Gran Bretaña y México, el primero por una huelga y el segundo por problemas técnicos. Para Ferrari, Ludovico Scarfiotti también ganó una carrera, el Gran Premio de Italia de 1966 en Monza, donde el peso del 312 apenas era un obstáculo. Allí se produjo un doblete de Ferrari con Scarfiotti y Parkes. El coche de Scarfiotti llevaba un motor modificado con 36 válvulas (dos de admisión y una de escape por cilindro). En total, Ferrari sumó solo dos triunfos al final de la temporada: el de Surtees en Bélgica y la doble victoria de Scarfiotti y Parkes en Monza. Estos éxitos resultaron insuficientes frente al trabajo constante de Brabham, que se llevó los títulos de pilotos y constructores. Ferrari terminó segundo en el Campeonato de Constructores.

En 1967 se mejoró el chasis, una combinación de bastidor tubular y monocasco; sin embargo, no se consiguió reducir el peso del coche, que se quedó en unos 550 kg frente al límite de 500 kg. El motor fue actualizado con culatas de tres válvulas y flujo cruzado invertido: el sistema de escape pasaba ahora por la parte superior central y los conductos de admisión se proyectaban lateralmente. La potencia aumentó hasta unos 360-390 CV.

El nuevo monoplaza era básicamente una evolución del coche de la temporada anterior: más ligero y técnicamente sólido, aunque menos ágil que los británicos y muy exigente para el piloto. Para ganar potencia, Ferrari invirtió la disposición de las culatas, colocando las admisiones entre los árboles de levas de cada bancada y los escapes en el interior de la V.^[2]​

Ese año, el equipo despidió a Eugenio Dragoni y lo reemplazó por Franco Lini. Chris Amon se unió a Lorenzo Bandini como piloto del coche evolucionado. La temporada empezó de forma trágica: en el Gran Premio de Mónaco, Bandini sufrió un accidente en el que quedó atrapado bajo su coche en llamas. Tres días después falleció a causa de las heridas.^[3]​ Ferrari también construyó una variante con chasis largo para el británico Mike Parkes, de gran estatura, pero su carrera terminó abruptamente tras un grave accidente en Spa ese mismo año.

Los mejores resultados llegaron de la mano del neozelandés Chris Amon, que logró tres terceros puestos. Mientras tanto, su compatriota Denny Hulme ganó el título mundial por delante de Jack Brabham. En total, solo Amon consiguió puntos para Ferrari, con cuatro podios en tercera posición. La temporada estuvo marcada por accidentes, la muerte de Bandini, la ausencia de victorias y apenas un quinto lugar en el Campeonato de Constructores, lo que supuso un duro golpe para la Scuderia. El balance fue decepcionante tanto en Fórmula 1 como en los coches deportivos, donde Ford volvió a imponerse en Le Mans y en el campeonato mundial. Además, el nuevo motor Ford Cosworth DFV, debutado en el Lotus 49, comenzó una era de dominio que se prolongaría durante más de 15 años.

Tras un cambio en el reglamento del Mundial de Sport Prototipos, Ferrari decidió no participar y pudo concentrarse por completo en la Fórmula 1. Una nueva revisión de chasis y motor permitió que el 312 F1 alcanzara un peso más competitivo. Después de que Lotus introdujera los alerones en Mónaco, el Ferrari recibió también un ala trasera ajustable montada sobre el motor. Otros equipos copiaron rápidamente la innovación, pero tras un grave accidente en Barcelona en el que murieron tres espectadores, los alerones fueron prohibidos temporalmente y luego reintroducidos con mayores restricciones.^[4]​

En este contexto, el joven piloto belga Jacky Ickx logró una brillante victoria bajo la lluvia en el Gran Premio de Francia de Rouen, convirtiéndose en el primero en ganar una carrera del Mundial con un alerón trasero. Ferrari sumó además cuatro poles en la temporada. Fue también el primer triunfo de la Scuderia en casi dos años, aunque acabó siendo el único del campeonato. Ickx fue la revelación del año, con varias actuaciones destacadas que le llevaron al cuarto puesto final en el campeonato. El título fue para el inglés Graham Hill con el Lotus, mientras la rápida evolución de la aerodinámica complicaba la vida al 312. La Scuderia terminó cuarta en el Campeonato de Constructores. Al final del curso, tanto el director Franco Lini como el propio Ickx abandonaron el equipo, el piloto rumbo a Brabham. Durante el verano de 1968, Enzo Ferrari negoció la venta de su división de coches de calle a Fiat por 11 millones de dólares. La operación se concretó a principios de 1969, aunque Ferrari retuvo el 50% de la empresa y el control de la actividad deportiva.

Tras la marcha de Ickx a Brabham, Ferrari afrontó 1969 como un año de transición. Enzo Ferrari utilizó los recursos obtenidos gracias al acuerdo con Fiat para reestructurar el equipo. La Scuderia alineó la mayor parte de la temporada un solo coche, pilotado por Chris Amon, mientras también desarrollaba un prototipo deportivo derivado del monoplaza, el Ferrari 312P. El chasis fue ligeramente revisado y el motor alcanzó unos 430 CV en banco.

En marzo, Porsche sorprendió presentando 25 unidades del 917 para su homologación en la categoría de 5 litros, lo que dejó en clara desventaja a los prototipos de 3 litros, incluido el 312P. Como respuesta, Ferrari invirtió buena parte del “dinero de Fiat” en fabricar 25 Ferrari 512S para competir en 1970, aunque no logró venderlos todos a clientes privados. En paralelo, el 312 F1 recibió algunos avances aerodinámicos con aletas delanteras y un alerón trasero de ancho completo, pero el coche ya estaba superado. En las últimas carreras de 1969, incluso se entregó a Pedro Rodríguez un modelo del 312 de 1968.

La temporada resultó un fracaso: Amon apenas podía terminar carreras y solo subió una vez al podio, en Zandvoort. Cansado de la situación, abandonó el equipo antes de que concluyera el año. Ferrari terminó con solo siete puntos, su peor registro histórico hasta entonces, y quinto en el Campeonato de Constructores. En la última carrera en México, Pedro Rodríguez terminó séptimo al volante del 312, firmando la despedida del modelo.^[5]​

1969 fue la peor temporada de Ferrari en Fórmula 1: solo tres resultados en los puntos y ningún triunfo. Mientras los equipos británicos explotaban el potente y económico Cosworth DFV y comenzaban a contar con patrocinadores que introducían nuevos colores en los coches, Ferrari se mantenía fiel al Rosso Corsa y resistía en solitario. Aun así, el año tuvo una importancia estratégica: Fiat adquirió una participación en la empresa, pero permitió a Enzo Ferrari plena libertad en la gestión deportiva. El 312 F1 fue sucedido por el Ferrari 312B de motor plano, introducido en 1970. Con él, la Scuderia volvió a conquistar títulos mundiales a lo largo de la década.

(Clave) (negrita indica pole position) (cursiva indica vuelta rápida)