Dixon membuka perjuangan tahun 2015 dengan memenangkan lomba ketahanan Daytona 24 Jam untuk tim Ganassi. Di ajang IndyCar musim 2015 Dixon dimulai dengan lambat dengan hasil finis ke-15 di St. Petersburg dan ke-11 di Louisiana. Dixon kemudian memenangkan perlombaan IndyCar pertamanya musim ini dalam lomba Grand Prix Long Beach. Ia lantas memenangkan pole keduanya untuk lomba Indianapolis 500 dan memimpin lap terbanyak dengan 87 lap tetapi akhirnya ia hanya mampu keempat dibelakang pemenang lomba Juan Pablo Montoya. Dixon memiliki akhir pekan yang mengerikan dalam lomba dobel di Detroit di mana ia tersingkir dalam lomba kedua oleh rekan satu timnya Charlie Kimball. Dixon berhasil bangkit dan mendominasi lomba Firestone 600 di Texas yang merupakan kemenangan keduanya musim ini. Dixon memiliki hasil rata-rata di Top 10 dengan finish terburuk urutan ke-18 di Iowa, meskipun ini sedikit membantunya sejak rivalnya dalam kejuaraan Montoya tersingkir di awal lomba. Dixon finis di urutan keempat di Mid Ohio dan kesembilan di Pocono. Memasuki lomba penutup musim di Sonoma, Dixon perlu memenangkan perlombaan dengan catatan Juan Pablo Montoya hanya bisa maksimal finis kelima atau lebih buruk untuk bisa merebut gelar keempatnya. Dixon berhasil menang lomba dan membuat poinnya sama persis dengan Montoya tetapi Dixon memiliki keunggulan tiga kemenangan berbanding Montoya yang hanya menang dua lomba. Dengan hasil ini Dixon berhasil meraih gelar IndyCar-nya yang keempat kali Setelah musim berakhir, Dixon berkompetisi dan memenangkan Dan Wheldon Karting Challenge yang digelar untuk menghormati Justin Wilson.