Der 25-Jährige wechselt vom Rennstall McLaren nach Italien und wird Teamkollege des monegassischen Jungstars Charles Leclerc.
Sainz' Cockpit bei McLaren übernimmt der Australier Daniel Ricciardo, der wiederum Renault den Rücken kehrt. Vettels Abschied von Ferrari zum Jahresende war am Dienstag offiziell geworden.
"Ich bin sehr glücklich, dass ich 2021 für Ferrari fahren werde und bin schon gespannt auf die Zukunft in dem Team", sagte Sainz: "Ich habe aber noch ein Jahr bei McLaren vor mir und freue mich, diese Saison noch für sie zu fahren." Ferrari-Teamchef Mattia Binotto erklärte: "In den fünf Saisons, die er schon hinter sich hat, hat Carlos bewiesen, dass er sehr talentiert ist. Er hat die technischen Fähigkeiten und die richtige Einstellung, um sich ideal in unsere Familie einzufügen."
Sainz hatte seine Formel-1-Karriere beim Red-Bull-Nachwuchsteam Toro Rosso begonnen, im Herbst 2017 wechselte er zu Renault. Im vergangenen Jahr beerbte der Sohn des zweimaligen Rallye-Weltmeisters Carlos Sainz senior seinen Landsmann Fernando Alonso bei McLaren und erzielte als WM-Sechster sein bestes Karriereergebnis. Beim Großen Preis von Brasilien fuhr er erstmals auf das Podium.
Zuletzt galt Vettel nach seinem Abschied als Kandidat bei McLaren. Da diesen Platz aber Ricciardo einnimmt, bleiben dem viermaligen Weltmeister kaum noch Optionen für eine Fortsetzung der Karriere.
