A 2016-os szezont jobban kezdte, mint az előzőt. St. Petersburgben Power visszalépése miatt megörökölte a pole-pozíciót, majd a futamon a legtöbb kört az élen töltve a második lett. A következő versenyen ismét második lett, így átvette a vezetést a bajnokságban. Long Beachen felért a csúcsra és első Penske-s győzelmét aratta. A következő versenyen Graham Rahallal vívitt nagyot a győzelemért, indianapolisban viszont senki sem tudta megszorongatni, így sorozatban három győzelmet aratott Pagenaud. Az indianapolisi 500-on megszakadt a dobogós sorozata, egy boxutcai hiba miatt csak a 19. lett. A következő öt versenyből háromszor indulhatott a pole-ból, viszont csak kétszer végzett a legjobb ötben.