En 2015, Zarco revient dans l'équipe Ajo Motorsport, qu'il a connu en 2011 et lui a permis de gagner sa première victoire ainsi que d'obtenir une place de vice-champion du monde, et change de châssis moto, passant de Suter à Kalex, un châssis réputé plus facile à mettre au point. Dès la première course disputée au Qatar, Zarco est à son avantage. En tête de la course à quatre tours de la fin, un problème de sélecteur de vitesses l'amène à rétrograder au classement. Après la course, Zarco n'incrimine pas ses mécaniciens et se déclare , une attitude qui lui permet de s'assurer d'un total soutien de son équipe pour la suite de la saison. Il remporte sa première victoire en Moto2 à l'occasion du Grand Prix d'Argentine, prenant la tête du championnat. Quinze jours plus tard, il termine deuxième du Grand Prix d'Espagne à Jerez. Troisième lors du Grand Prix de France, il termine ensuite deuxième du Grand Prix d'Italie au Mugello puis remporte le Grand Prix de Catalogne à Montmelo. À Indianapolis, Johann Zarco monte pour la neuvième fois de suite sur le podium, égalant le record d'Olivier Jacque. Une semaine plus tard, il remporte le Grand Prix de Brno. Il est le premier pilote français à remporter quatre victoires lors d'une même saison. Il devient champion du monde alors qu'il reste encore quatre grands prix à disputer et qu'il possède une avance de sur son rival pour le titre, Tito Rabat, qui doit déclarer forfait en raison d'une blessure lors des essais du Grand Prix du Japon. Zarco remporte lors de cette course sa septième victoire de la saison. Il termine celle-ci avec huit victoires, avec celle obtenue au Grand Prix de Malaisie, et un total de .