In 2015 stapte Pagenaud over naar het topteam Team Penske en kwam hier uit naast zijn teamgenoten Hélio Castroneves, Will Power en Juan Pablo Montoya. Hij kende een moeilijk seizoen, waarin hij slechts twee podiumplaatsen behaalde. Ondanks deze prestaties werd zijn contract met Penske een jaar verlengd. In 2016 beleefde hij een superstart met twee tweede plaatsen in de eerste twee races en vervolgens drie overwinningen op het Stratencircuit Long Beach, het Barber Motorsports Park en het binnencircuit van Indianapolis. Met nog twee overwinningen op het Mid-Ohio Sports Car Course en de seizoensfinale op de Sonoma Raceway behaalde hij zijn eerste IndyCar-titel.