Per la stagione 2010, sentiva che la Penske aveva raggiunto il potenziale della sua vecchia Dallara-Honda, e temeva che altre squadre lo sfruttassero per colmare il divario di prestazioni. Castroneves ha vinto l'inaugurale Indy Grand Prix dell'Alabama per estendere il suo record di vittorie in una gara a dieci stagioni consecutive. Dopo essersi qualificato in pole position per le 500 miglia di Indianapolis
, una sosta in un pit stop lo ha relegato al nono posto. Cinque gare dopo, alla Honda Indy Edmonton, Castroneves fu il primo a finire, ma fu retrocesso al decimo posto dopo aver bloccato il suo compagno di squadra Power. Ha vinto due gare consecutive, al Kentucky Speedway e a Motegi, prima di concludere la stagione con un quinto posto a Homestead-Miami. Con 531 punti, Castroneves è quarto nella classifica dei piloti.