E' con le vetture Sport che Mairesse trova maggiori soddisfazioni.Vince nuovamente il Tour de France e, con la Ferrari 250 TRI/61, assieme a Mike Parkes, arriva secondo alla 24 Ore di Le Mans. L'anno dopo riesce a vincere anche in Formula 1, ma in due gare fuori campionato: a Bruxelles ed a Napoli. Nel G.P. d'Italia, a Monza, dopo essere stato lungamente i  testa, arriva al quarto posto. Con la Ferrari Dino 246 SP vince la prestigiosa Targa Florio assieme a Ricardo Rodriguez e Olivier Gendebien. Nello stesso anno rimane anche vittima di un incidente durante il G.P. del Belgio. Nel 1963  Mairesse non riesce a concludere nessun G.P. di F.1 mentre continua ad ottenere buone soddisfazioni con le vetture sport: primo a Spa-Francorchamps ed al Nurburgring, secondo alla Targa Florio. Sempre nello stesso anno, però, Mairesse è vittima di due brutti incidenti: uno a Le Mans, dove rimane ustionato, ed uno durante il G.P. del Nurburgring.

Quest'ultimo mette, di fatto, la parola fine alla sua esperienza con la Ferrari in F.1 e lo tiene fuori dai circuiti per quasi tutto il 1964, durante il quale vince esclusivamente una gara di sport-prototipi in Angola. Nel 1965 si aggiudica la 500 Km di Spa-Francorchamps ma non riesce a prender parte al G.P. del Belgio. Nel 1966, assieme a Herbert Müller, vince nuovamente la Targa Florio, questa volta con una Porsche 906. L'anno dopo arriva terzo alla 24 Ore di Le Mans, assieme a Jean Blaton, su una Ferrari 330 P4. Nel 1968, durante il primo giro della 24 Ore di Le Mans, a Mulsanne, la portiera della sua Ford GT 40 si apre improvvisamente. Mairesse non controlla più la vettura e va a sbattere con violenza. L'urto gli provoca lesioni alla testa che lo fanno rimanere in coma per due settimane. Non si riprenderà più: consapevole di non poter più correre, si toglierà la vita in un hotel di Ostenda il 2 settembre 1969. 

Willy Mairesse è apparso nelle storie di Michel Vaillant: