Post-season, ta astus alla IndyCar täistööajaga, et liikuda Penske IMSA SportsCar Championship programmi. Castroneves osales oma 2018. aasta kampaania raames nii IndyCar Grand Prix'is kui ka Indianapolis 500's; ta valmistus võistlusteks, jagades märkmeid oma meeskonnakaaslastega ja tutvustades ennast autoga. Castroneves'i meeskond kasutas strateegiat, mis võimaldas tal lõpetada IndyCar Grand Prix's kuuendana. Indianapolis 500-l alustas ta kaheksandast kohast, enne kui kaotas neljandas kurvis kontrolli oma auto üle ja kukkus 146. ringil kokku, et jõuda 27. kohale. 2019. aasta hooajal osales ta taas nii IndyCar Grand Prix's kui ka Indianapolis 500's. Castroneves lõpetas IndyCar Grand Prix'i kaks ringi liidritest maha 21. kohal. Ta alustas Indianapolis 500-l 12. kohal, lõpetades võistluse 18. kohal pärast James Davisoni autoga kokkupõrget, mille tõttu sai ta läbi sõitmise karistuse. Ta alustas 2020. aasta Indianapolis 500
alguses 27. ja lõpetas võidu 11.