Im Februar 2016 wechselte Phaneuf in einem neun Spieler umfassenden Tauschgeschäft zu den Ottawa Senators. Mit ihm wurden Matt Frattin, Casey Bailey, Ryan Rupert sowie Cody Donaghey nach Ottawa transferiert, während im Gegenzug Jared Cowen, Milan Michálek, Colin Greening, Tobias Lindberg sowie ein Zweitrunden-Wahlrecht für den NHL Entry Draft 2017 nach Toronto wechselten. Nach zwei Jahren in Ottawa gaben ihn die Senators samt Nate Thompson an die Los Angeles Kings ab, die dafür Marián Gáborík und Nick Shore in die kanadische Hauptstadt transferierten. Darüber hinaus übernahmen die Senators weiterhin 25 % seines Gehalts. Im November 2018 bestritt er sein 1000. Spiel der regulären Saison in der NHL. Nach der Spielzeit zahlten die Los Angeles Kings dem 34-Jährigen die restlichen beiden Jahre seines laufenden Vertrages aus ("buy-out"), woraufhin er zum Juli 2019 den Status eines sogenannten Free Agents erhielt. Dies bedeutete in der Folge das Ende seiner aktiven Karriere, in der er 1048 NHL-Spiele bestritten und dabei 494 Scorerpunkte erzielt hatte.