2015 absolvierte Montoya seine zweite IndyCar-Saison für Penske. Beim Saisonauftakt in St. Petersburg gewann er erstmals nach seinem IndyCar-Comeback auf einem Straßenkurs. Bei den Grands Prix in Long Beach und Indianapolis erzielte er mit zwei dritten Plätzen weitere Podest-Platzierung, bevor er das Indianapolis 500 zum zweiten Mal in seiner Karriere gewann. Im weiteren Saisonverlauf gelang ihm nur noch als Dritter in Pocono eine Podest-Platzierung. Montoya führte die Saison vom Beginn der Saison an und ging als Führender ins Saisonfinale in Sonoma. In diesem fiel Montoya, nachdem er sich bei einer Kollision mit seinem Teamkollegen Power den Frontflügel beschädigt hatte, wegen eines Reparaturstopps zurück. Montoya verbesserte sich schließlich auf den sechsten Platz. Da Dixon, der als Gesamtdritter ins Rennen gegangen war, den Sieg erzielte und die meisten Führungsrunden absolvierte, waren Montoya und Dixon am Saisonende punktgleich. Da Dixon drei Siege und Montoya nur zwei hatte, gewann Dixon den Meistertitel, während Montoya Gesamtzweiter wurde. Am Jahresende nahm Montoya zudem für Porsche an Testfahrten in einem LMP1-Fahrzeug teil.