Von 1961 bis 1965 wurden die ehemaligen Formel-2-Regeln zum F1-Standard erhoben, zum Ärger der inzwischen dominierenden kleinen britischen Teams wie Vanwall, Cooper, Lotus und BRM, die (außer BRM) keine eigenen Motoren bauen konnten und auf Coventry-Climax angewiesen waren. Wieder war Ferrari mit einem vorhandenen Formel 2 erfolgreich zur Stelle. Da Porsche bereits seit einigen Jahren auch F2-Rennfahrzeuge baute, lag nun der Aufstieg in die Formel 1 nahe. Doch der bisher verwendete Vierzylinder, der noch vom Volkswagen abstammte, war 1961 nicht konkurrenzfähig. Auch das Chassis vom Typ Porsche 718 war im Vergleich zu den schlanken Autos der Konkurrenz zu plump. Mit dem neuen und eleganten Modell Porsche 804 mit Achtzylinder-Triebwerk gelang Dan Gurney 1962 endlich ein Sieg in einem WM-Lauf, dem GP des Automobilclubs von Frankreich in Rouen-les-Essarts. In der Woche darauf, beim nicht zur WM zählenden Formel-1-Rennen auf der Stuttgarter Solitude, konnte der Amerikaner den Erfolg der Schwaben vor heimischem Publikum wiederholen. Am Saisonende zog sich Porsche jedoch aufgrund der hohen Kosten und der nicht gegebenen Seriennähe aus der Formel 1 zurück und konzentrierte sich wieder auf die angestammte Sportwagen-Szene.

Da Rennsportwagen und selbst einige Serienfahrzeuge zu dieser Zeit über mehr Leistung als die so genannte Königsklasse mit ihren nur 220 PS leistenden und fragilen 1500er-Achtzylindern verfügten, wurden für 1966 die Regeln wieder geändert – und zwar gleich durch Verdopplung der Hubräume (3000 cm³ für Saugmotoren, 1500 cm³ für aufgeladene Triebwerke).

In der ersten Hälfte der 1960er-Jahre wechselten sich mehrere Fahrer beim Fahrerweltmeistertitel ab: zunächst gewann der US-Amerikaner Phil Hill, gefolgt von dem Briten Graham Hill, dem Schotten Jim Clark und dem Briten John Surtees. 1965 konnte erneut Jim Clark die WM für sich entscheiden. Die zweite Hälfte des Jahrzehnts brachte dem Australier Jack Brabham, dem Neuseeländer Denis Hulme, ein weiteres Mal dem Briten Graham Hill und zuletzt dem Schotten Jackie Stewart den Weltmeistertitel.

Nach der kurzfristigen Regeländerung standen wiederum keine geeigneten Motoren zu Verfügung, und selbst Ferrari brachte mit einem verkleinerten Sportwagen-Motor eine zu schwere und zu schwache Fehlkonstruktion an den Start. BRM stapelte gar zwei Achtzylinder übereinander, zu einem H16 genannten Ungetüm; Maserati reaktivierte einen V12 aus der 2500-cm³-Ära der 1950er-Jahre. Siege errangen meist Fahrer mit dem relativ simplen Repco-Motor, der in den ersten beiden Jahren der Dreiliter-Formel dominierte, und die bewährten, nun auf etwa zwei Liter aufgebohrten Motoren von Coventry-Climax, die u. a. im Lotus 33 zum Einsatz kamen.

Coventry-Climax wollte jedoch nicht in die Neuentwicklung von Dreiliter-Motoren investieren und zog sich zurück. Deren bisherige Rolle, einen siegfähigen Motor anzubieten, übernahm ab 1967 Cosworth mit dem zunächst für eine Saison exklusiv im revolutionären Lotus 49 eingesetzten, ab 1968 dann frei verkäuflichen Ford-DFV-V8-Motor, der als bisher erfolgreichster Formel-1-Motor Rennsportgeschichte schreiben sollte.

Nachdem Porsche bereits 1947 mit dem CIS 360 einen Formel-1-Wagen mit Allradantrieb gebaut hatte, begannen in den 1960ern auch einige britische Rennställe mit F1-Allrad-Boliden zu experimentieren. Der P99 von Ferguson Research war 1961 das erste einsatzfähige Fahrzeug dieser Spezies, während der BRM P67 von 1964 nur ein einmaliges Trainingsgastspiel gab. Im Jahr 1969 testeten insgesamt vier Teams (Lotus, Matra, McLaren und selbst Motorenbauer Cosworth) Allrad-Monopostos ohne nennenswerte Erfolge in der Formel 1 und einzig Colin Chapman (Lotus) wagte 1971 noch einmal einen Versuch mit einem weiteren Allradwagen.