Efter sæsonen forlod han IndyCar for at skifte til Penske's IMSA SportsCar Championship. Castroneves blev indskrevet i både IndyCar Grand Prix og Indianapolis 500 som en del af sin 2018-kampagne; han forberedte sig til løbene ved at dele noter med sine holdkammerater og gøre sig fortrolig med bilen. Castroneves' hold anvendte en strategi, der tillod ham at ende på sjettepladsen i IndyCar Grand Prix. Ved Indianapolis 500 startede han fra ottende plads, før han mistede kontrollen over sin bil i drejning fire og styrtede på 146. omgang for at nå 27. plads. I sæsonen 2019 deltog han igen i både IndyCar Grand Prix og Indianapolis 500. Castroneves sluttede IndyCar Grand Prix to omgange bag de førende i 21. Han startede som nummer 12 i Indianapolis 500, og sluttede løbet som nummer 18 efter en kollision i pitlane med bagsiden af James Davisons bil, hvilket gav ham en drive-through-straf. Han startede i Indianapolis 500 i 2020.
startede som 27. og sluttede som 11.