Cinq ans à peine après le dernier changement radical des règlements et pour la quatrième fois en moins de deux décennies, l'organe directeur du sport (CSI) s'est de nouveau présenté pour la saison de Formule 1 1966, rendant une fois de plus tous les coureurs de la ou des saisons précédentes obsolètes. Cette fois-ci, la limite de cylindrée a été doublée, passant de 1,5 litre à 3 litres pour les moteurs à aspiration naturelle et l'induction forcée a de nouveau été autorisée avec une cylindrée maximale de 1,5 litre. Bien que l'entreprise soit connue pour son conservatisme, les changements de règles avaient bien fonctionné pour Ferrari 1952 et 1961 et comme la réglementation de trois litres semblait parfaitement adaptée au constructeur italien, le succès était à nouveau attendu.
Alors que la plupart des équipes britanniques, ou "Garagistes" comme les appelait Enzo Ferrari, devaient compter sur leurs fournisseurs de moteurs pour se préparer à temps, Ferrari avait l'avantage de tout faire en interne. Malheureusement, le chef mécanicien Mauro Forghieri n'avait pas assez de temps et/ou d'argent pour repartir de zéro et il a donc utilisé le moteur 3,3 litres du 275 P2 sport racer comme base pour le nouveau moteur V12 F1. Une grande partie du bloc-moteur a été reportée, mais la tête d'arbre à cames en tête simple a été remplacée par un double arbre à cames en tête moderne, mais toujours avec seulement deux soupapes par cylindre. Le moteur de 300 ch a été installé dans une version renforcée du châssis utilisé la saison précédente pour créer la Ferrari 312 F1.
Même si deux autres équipes seulement possédaient un moteur de trois litres au début de la saison, Ferrari n'a pas réussi à faire sa marque dans un championnat qui semblait être le sien. Le nouveau moteur V12 s'est avéré si peu fiable que l'équipe a été forcée d'aligner des voitures à moteur V6 à jour dans certaines courses. Au vu de tout cela, il est remarquable que John Surtees et Ludovico Scarfiotti aient réussi à gagner chacun une course. Les vainqueurs ont terminé deuxièmes derrière Jack Brabham dans le championnat des pilotes et Ferrari dans le championnat des constructeurs derrière Brabham. Cela peut paraître tout un exploit, mais c'est principalement dû aux performances encore plus médiocres de BRM et Lotus, qui ont fait campagne pour les moteurs BRM H16 trop complexes.
Dans les coulisses, Forghieri continue à travailler d'arrache-pied pour faire monter les enchères en 1967. Beaucoup de travail a été effectué sur les culasses, qui comportaient désormais trois soupapes par cylindre, dont deux pour l'admission. Les trompettes d'admission ont été installées entre les arbres à cames et de magnifiques échappements "spaghetti" ont été montés à l'intérieur du V du moteur. Tous ces changements ont considérablement augmenté les performances, atteignant 390 ch à 10 000 tr/min. Forghieri a également modifié radicalement le châssis pour faire perdre plus de 50 kg, rapprochant considérablement la version 1967 de la 312 F1 de la limite des 500 kg.
La saison n'a pas trop bien commencé lorsque le champion du monde de 1964, John Surtees, a quitté l'équipe. Malheureusement, la situation ne s'est pas beaucoup améliorée lorsque Lorenzo Bandini est décédé des suites de blessures subies lors du Grand Prix de Monaco et elle s'est encore aggravée lorsque Mike Parkes a été contraint de se retirer des courses du Grand Prix après avoir subi de graves brûlures après une chute lors du Grand Prix de Belgique à Spa. Seulement quatre courses après le début de la saison, une grande partie de la pression était maintenant sur le très jeune Chris Amon et il a très bien fait pour atteindre la troisième place à quatre reprises. Même si l'équipe Brabham a dominé une fois de plus par la constance, l'équipe Lotus avec les nouveaux moteurs Cosworth DFV était une plus grande inquiétude pour Ferrari, qui avait chuté à la quatrième place du classement du constructeur.
Pour 1968, la 312 F1 a été allégée davantage et est maintenant venue avec un moteur à quatre soupapes par cylindre produisant 410 ch. En cette saison charnière où les voitures de Formule 1 présentaient pour la première fois les autocollants et les ailes des sponsors, les pilotes Ferrari ont pu égaler le rythme des " Garagistes ", mais ont presque toujours été déçus par le manque de fiabilité du moteur très sollicité. Jacky Ickx a néanmoins remporté une victoire dans le Grand Prix de France après une décision tactique intelligente. A la fin de la saison, Ickx et Ferrari étaient quatrièmes dans les deux catégories. Peu de choses ont changé en 1969 lorsqu'une seule voiture a été présentée par Amon, tandis que Forghieri travaillait sans relâche à l'usine sur la toute nouvelle voiture à moteur plat 12 pour 1970. Amon a terminé la saison en douzième position et Ferrari en cinquième position.