2010. aasta hooaja jaoks tundis ta, et Penske oli saavutanud oma vananeva Dallara-Honda auto potentsiaali ja kartis, et teised meeskonnad kasutavad seda, et sulgeda jõudlusvahe. Castroneves võitis esimese Indy Grand Prix'i Alabamas, et pikendada oma võidu rekordit kümneks järjestikuseks hooajaks. Pärast pole positsiooni Indianapolis 500
, pits-stoppis ta langes üheksandale. Viis võistlust hiljem, Honda Indy Edmontonil, oli Castroneves esimene, kes lõpetas, kuid ta alandati kümnendale pärast seda, kui ta oli blokeerinud oma meeskonnakaaslase Powerit. Ta võitis kaks järjestikust võistlust Kentucky Speedway'is ja Motegi's, enne kui lõpetas hooaja viienda kohaga Homestead-Miamis. 531 punktiga oli Castroneves sõitjate turniiril neljas.