In het eerste volledige seizoen dat Castroneves in de IndyCar Series reed, won hij twee races, waarvan één wederom de Indianapolis 500, die hij net als het jaar ervoor won. Hij eindigde tweede in het kampioenschap. In de vijf volgende jaren won hij negen races en eindigde hij twee keer op de derde, één keer op de vierde en twee keer op de zesde plaats van het kampioenschap. Ook in zijn zevende seizoen in 2008 strandde hij op de tweede plaats in de eindrangschikking, zodat Castroneves mathematisch de best scorende coureur is in de geschiedenis van het kampioenschap die toch nooit kampioen werd.