Castroneves aloitti vuoden 2008 kauden päättymällä neljänneksi ensimmäisissä neljässä kierroksessa. Hän sijoittui neljänneksi Indianapolis 500:ään.
Castroneves menetti johdon Dixonille, kun etusiipeen vauriot laskivat hänet neljänteen. Hän pääsi toiseksi sekä Texasissa että Richmondissa peräkkäisinä pole-asemiin Nashvillessä ja Mid-Ohiossa, joista kumpikaan ei johtanut kilpailun voittoon. Castroneves voitti Peak Antifreeze Indy Grand Prix -kilpailun Infineon Racewayllä johtaen 51 kierrosta pole positionin jälkeen lopettaen 29-kilpailun voitoton sarjan. Hän pääsi toiseksi Detroitiin Justin Wilsonin laittomasti estämisestä. Hän pääsi Peak Antifreeze Indy 300 -kilpailuun 30 pistettä mestaruuden johtajan Dixonin jälkeen. Castronevesin täytyi voittaa kilpailu ja Dixonin piti päästä 11. sijalle tai alemmaksi, jotta hänestä tulisi mestari. Hän aloitti 28. sijalla radan raja-arvon vuoksi, voittaen Dixonin 0,0033 sekuntia sarjan historian toiseksi lähimmässä maaliin, lopettaen kauden toiseksi pisteissä 629: lla.