2015 unterstützte Chilton den familiären Rennstall Carlin als Rennfahrer bei dessen Einstieg in die Indy Lights. Beim Rennen auf dem Iowa Speedway erzielte er seine erste Pole-Position und seinen ersten Sieg, den er seinem einen Tag zuvor verstorbenen ehemaligen Teamkollegen Jules Bianchi widmete. Chilton beendete die Saison auf dem fünften Rang und unterlag damit seinem Teamkollegen Ed Jones, der Dritter war. Zu zwei Rennen trat Chilton aufgrund einer Überschneidung mit seinem Langstrecken-Programm, das Chilton 2015 parallel absolvierte, nicht an. Er fuhr für Nissan Motorsports in der FIA-Langstrecken-Weltmeisterschaft (WEC). Der Rennstall stieg jedoch erst zum dritten Rennen, dem 24-Stunden-Rennen von Le Mans 2015, in die Meisterschaft ein und zog sich anschließend aus der laufenden Saison zurück.