Darüber hinaus kehrte Allmendinger 2013 in den Formelsport zurück. Er erhielt beim Team Penske die Möglichkeit, Indycar-Testfahrten zu absolvieren. Kurz darauf nahm ihn Penske für zwei Rennen unter Vertrag. Im Verlauf der Saison wurden seinem Einsatzplan weitere Rennen hinzugefügt, sodass er insgesamt zu sechs Rennen an den Start ging. Allmendinger gab sein Debüt in der IndyCar Series beim Honda Indy Grand Prix of Alabama, wo er auf dem 19. Platz ins Ziel kam. Seine beste Saisonplatzierung erreichte er beim Indianapolis 500, bei dem er von Platz fünf startend Siebter wurde.