2014 erhielt Muñoz bei Andretti Autosport ein Vollzeitcockpit in der IndyCar Series. Der Einsatz wurde von HVM Racing unterstützt. Bereits beim zweiten Saisonrennen in Long Beach stand er als Dritter auf dem Podest. In Houston und Long Pond kam er bei weiteren Rennen auf dem zweiten Platz ins Ziel. Muñoz wurde bester Rookie und zweitbester Andretti-Fahrer. Er schloss die Saison auf dem achten Platz ab. 2015 blieb Muñoz bei Andretti Autosport in der IndyCar Series. Beim ersten Rennen in Detroit gelang ihm sein erster IndyCar-Sieg. Er beendete die Saison als schlechtester Andretti-Vollzeit-Pilot auf dem 13. Gesamtrang. 2016 absolvierte Muñoz eine weitere IndyCar-Saison für Andretti. Sein bestes Ergebnis erreichte er beim Indianapolis 500, bei dem er hinter seinem Teamkollegen Alexander Rossi Zweiter wurde. Muñoz wurde als bester Andretti-Fahrer Zehnter in der Fahrerwertung. 2017 trat er für A. J. Foyt Enterprises an. Nach einem siebten Platz im zweiten Rennen in Long Beach folgten noch fünf weitere Platzierungen unter den ersten Zehn. In der Gesamtwertung belegte er den 16. Platz. 2018 trat er im Indianapolis 500 einmalig wieder für Andretti Autosport an. Er beendete das Rennen als Siebter. In den letzten beiden Rennen der Saison übernahm er das Cockpit des verletzten Robert Wickens bei Schmidt Peterson Motorsports.