Hän erosi täysipäiväisesti IndyCarista siirtyäkseen Pensken IMSA-sarjaan. Castroneves osallistui sekä IndyCar Grand Prix -kilpailuun että Indianapolis 500 -kilpailuun osana vuoden 2018 kampanjaa. Hän valmistautui kilpailuun jakamalla muistiinpanoja joukkuetovereilleen ja tutustumalla autoon. Castronevesin tiimi käytti strategiaa, jonka avulla hän pääsi kuudenneksi IndyCar Grand Prix -kilpailussa. Indianapolis 500 -kilpailussa hän aloitti kahdeksannelta sijalta, ennen kuin menetti auton hallinnan neljännessä mutkassa ja törmäsi 146. kierroksella 27. sijalle. Vuoden 2019 kaudella hän osallistui jälleen sekä IndyCar Grand Prix -kilpailuun että Indianapolis 500 -kilpailuun. Castroneves pääsi IndyCar Grand Prix -kilpailussa kaksi kierrosta johtajia jäljessä 21. sijalla. Hän aloitti 12. sijalla Indianapolis 500 -kilpailussa ja päätti kilpailun 18. sijalla, kun hän törmäsi James Davisonin auton takapenkille. Hän aloitti vuoden 2020 Indianapolis 500 -kilpailun.
Hän aloitti 27. sijasta ja pääsi 11. sijalle.