Dixon kemudian pindah ke tim papan atas Chip Ganassi Racing setelah menjalani tiga lomba bersama tim PacWest pada musim 2002. Pada musim 2003, tim Ganassi beralih mengikuti ajang saingan Champ Car yaitu Seri IndyCar. Bersamaan dengan hal itu, musim 2003 menjadi awal periode kesuksesan yang diraih Dixon sampai saat ini. Ia memenangkan lomba Toyota Indy 300 2003 yang menjadi kemenangan pertamanya bersama tim Ganassi. Ia lantas mengakhiri musim tersebut dengan raihan gelar juara pembalap pertamanya. Pada 2008, Dixon berhasil meraih gelar juara pembalap keduanya yang juga ditambah dengan keberhasilannya memenangi lomba Indianapolis 500 di musim tersebut. Selanjutnya tiga gelar lainnya menyusul yaitu di musim 2013, 2015 dan 2018. Pada musim 2015 sendiri Dixon menjadi juara pembalap setelah mengalahkan Juan Pablo Montoya melalui skema tiebreak, dengan dirinya dan Montoya yang meraih total poin klasemen yang sama persis namun Dixon lebih unggul dengan 3 kemenangan lomba berbanding Montoya yang hanya mampu meraih 2 kemenangan saja.