Покинув Формулу-1 после закрытия «Супер Агури» в конце 2008 года, Сато поначалу стремился продолжить карьеру в «Торо Россо», однако по разным причинам попытки японца сохранить место в чемпионате мира провалились. Впрочем, через некоторое время перед гонщиком открылась новая дверь — в марте 2010 года японец дебютировал в серии IndyCar, монопольным поставщиком двигателей в которой тогда была «Хонда».
Сато получил место в KV Racing Technology, выступая бок о бок с блиставшим в GP2 Series, но не дошедшим до Формулы-1 Эрнесто Визо и бразильцем Марио Мораэшем, а в трёх гонках в составе команды выступил канадский ветеран Пол Трэйси. Форма коллектива была далека от оптимальной, и в том году KV могла похвастать лишь третьим местом Визо в Айове да пятой позицией Мораэша в Уоткинс-Глен.
Но к следующему сезону в KV из «Андретти» перешёл многоопытный Тони Канаан — бразилец наладил связи внутри команды и помог коллективу перейти в статус середняка, периодически огрызавшегося в адрес лидеров. И уже на четвёртом этапе сезона на уличной трассе в Сан-Паулу начала всходить американская звезда Такумы Сато.
Такума Сато опережает Уилла Пауэра в дождевой гонке в Сан-Паулу, 2011 год
Гонка была запланирована на начало мая, однако под проливным дождём пилотам удалось с первой попытки проехать лишь 14 кругов, после чего заезд был остановлен жёлтыми флагами, а затем — после усиления ливня — и вовсе перенесён на следующий день. Сато рестартовал со второго ряда и после первой смены шин на торможении опередил Райана Бриско в борьбе за второе место, а на рестарте после первых жёлтых флагов во второй день гонки на входе в шикану обогнал Уилла Пауэра.
Серия аварий продолжилась, а за 20 кругов до финиша с трассы вылетел Алекс Тальяни. Судьи выбросили жёлтые флаги, и большинство пилотов отправились в боксы, но Сато, Андретти и Визо предпочли остаться на трассе. Это решение оказалось ошибочным, и после 23 кругов уверенного лидирования японец вынужден был свернуть на пит-стоп, отдав победу Уиллу Пауэру. «Мы решили рискнуть, и это не сработало. Жаль», — прокомментировал заезд Сато.
Двумя месяцами позже в рамках девятого этапа сезона, проходившего на шорт-треке в Айове, Такума Сато завоевал своей первый поул в американских формульных гонках — преимущество японца относительно квалифицировавшегося вторым Дарио Франкитти составило 0,0001 секунды. Сато уверенно принял старт, но уже к восьмому кругу вперёд вырвался Франкитти. Уверенно работая в драфте, японец почти всю гонку держался в лидирующем круге и вместе с Марко Андретти начал прорываться вперёд, прессингуя Франкитти. Однако после пит-стопа Такума не справился с непрогретыми шинами и разбил машину за 75 кругов до финиша.
Ровно через месяц Сато завоевал второй поул в IndyCar, опередив в Эдмонтоне Уилла Пауэра. Японец вновь резво начал гонку, но, допустив ошибку в сложной шпильке, проиграл пару позиций. Тем не менее темп Такумы позволял ему держаться близко к лидерам, и после удачного первого пит-стопа на очередном рестарте японец вышел на второе место, расположившись позади австралийца. Однако в этот момент вперёд активно рвался Райан Хантер-Рэй — неудачная атака американца в борьбе за вторую позицию привела к столкновению, в результате которого Сато потерял целый круг относительно лидеров и на большие очки уже не претендовал.
В середине августа на 1-мильном овале в Лаудоне состоялся 13-й этап чемпионата. Сато уже уверенно держался на овальных трассах и по чистой скорости считался стабильным претендентом на попадание в топ-10. В этой гонке, регулярно прерывавшейся дождём, Сато долгое время шёл на подступах к первой пятёрке, а удачный тайминг пит-стопа вывел японца на вторую позицию, однако на очередном рестарте верный себе японец вынес с трассы Франкитти. Сато смог продолжить борьбу, но стратеги решили рискнуть в надежде на возобновление дождя или аварию и затянуть один из последних пит-стопов. Риск снова не удался — за 35 кругов до финиша Такума вынужден был сдаться и свернуть на дозаправку, откатившись на седьмое место классификации.
Райан Хантер-Рэй и Такума Сато во время гонки в Лаудоне, 2011 год
Тот сезон Сато завершил на 13-м месте общего зачёта, а его лучшим достижением стало четвёртое место в Мид-Огайо. Куда более стабильный и опытный Канаан в итоговой классификации поднялся на пятую строчку, в чём ему помогли подиумы в Сент-Питерсберге, Айове и Балтиморе. Тем не менее японец доказал, что обладает высокой скоростью и способен бороться за высокие позиции, правда, недолго.
К сезону 2012 года в серии IndyCar в силу вступил новый технический регламент — команды пересели на «Даллары» DW12, названные в честь погибшего на гонке в Лас-Вегасе Дэна Уэлдона. Учитывая высокую скорость Сато на овалах, а также его большой опыт на дорожных и уличных трассах, приобретённый ещё в Формуле-1, японец вступал в новый сезон с большими надеждами.
В серию также пришли новые поставщики двигателей — «Шевроле» и «Лотус». KV перешла на американские двигатели, тогда как японский гонщик по понятным причинам оказался верен марке «Хонда» и перешёл в «Рэйхол Леттерман Лэниган», где фактически стал единственным пилотом — лишь в Индианаполисе коллектив дополнил Мишель Журден-младший.
Уже на первом этапе нового сезона Такуме Сато вновь удалось выйти в лидеры. После двух рестартов японец закрепился в первой десятке, а отыграв пару позиций, примкнул к первой пятёрке, преследуя Кастроневеша и Андретти. За счёт экономии топлива и пит-стопов соперников Такума через несколько кругов вышел в лидеры гонки, однако разворот Эда Карпентера и дозаправка самого японца под жёлтыми флагами отбросили его на десятое место, а ещё через двадцать кругов у Сато отказала трансмиссия.
На третьем этапе сезона в Лонг-Бич Сато вновь боролся в лидирующей группе и на последний круг ушёл на третьей позиции, но на беду японца позади него вновь оказался Райан Хантер-Рэй. Американец пошёл в атаку в шестом повороте, вновь недооценил расстояние до автомобиля оппонента и во второй раз развернул Такуму Сато поперёк трассы. Хантер-Рэй был наказан штрафом после гонки, тогда как беспомощно заглохший на трассе Сато оказался классифицирован восьмым, но лишь за счёт того, что в последнем повороте последнего круга произошёл завал и преодолеть полную дистанцию гонки смогли лишь семь пилотов.
Следующий звёздный час настал для Сато в ходе легендарной «Индианаполис 500». Японец совершил пит-стоп во время третьего «коушена» и, выдерживая достаточный темп, выбрался на первое место среди тех гонщиков, что дозаправились вместе с ним. В результате, когда настала пора совершать пит-стопы тем, кто решил остаться на трассе по ходу жёлтых флагов, Такума возглавил гонку и с преимуществом в пару секунд лидировал вплоть до схода Себастьяна Сааведры, вызвавшего очередной «коушен». На рестарте же Сато уступил опытным Франкитти и Диксону, откатившись на третье место. Тем не менее скорость японца позволила ему удержаться за лидерами, и за круг до финиша в драфте за Франкитти Такума опережает Диксона в борьбе за второе место. На последнем круге Сато смело идёт в атаку на лидера в первом повороте, но цепляет внутренним колесом апрон и вылетает в отбойник…
Дарио Франкитти и Такума Сато на последнем круге гонки «Индианаполис-500», 2012 год
Затем уличная трасса в Балтиморе принимала второй в своей истории этап IndyCar, где Сато снова удалось блеснуть. Гонка постоянно прерывалась жёлтыми флагами из-за аварий, но после четвёртого рестарта Такума вырвался вперёд и возглавлял пелотон на протяжении 12 кругов, когда из-за аварии Джеймса Джейкса заезд вновь был нейтрализован судьями — на следующем рестарте японец замешкался и упустил лидерство, а через 15 кругов в его автомобиле упало давление топлива, и гонщик снова вынужден был сойти.
Перед сезоном 2013 года Такума Сато вновь сменил команду — Бобби Рэйхол взял к себе своего сына Грэма, тогда как Сато перешёл на место Майка Конуэя в «Эй-Джей Фойт». Стартовав вторым в Сент-Питерсберге, Такума финишировал на восьмой позиции, а в Бирмингеме на стационарном автодроме «Барбер» японец классифицировался лишь 14-м.
Зато в Лонг-Бич Сато завоевал в квалификации четвёртое место и, опередив на старте Уилла Пауэра, вышел на третью позицию позади Дарио Франкитти и Райана Хантер-Рэя. Действующий чемпион на длинном отрезке под зелёными флагами начал терять темп и собрал позади себя плотную группу, и на 23-м круге Сато воспользовался потерей темпа соперника, поднявшись на вторую позицию.
На 28-м круге Сато отправляется на свой первый пит-стоп, тогда как Дарио Франкитти сворачивает на пит-лейн кругом позже, но команда «Ганасси» мешкает при обслуживании машины, что стоит шотландцу разом двух позиций — Такума впервые по ходу сезона выходит в лидеры
В отчаянной попытке отыграться Хантер-Рэй на 50-м круге допускает ошибку и в восьмом повороте вылетает в отбойник, провоцируя появление третьих жёлтых флагов. На массовом пит-стопе «Эй-Джей Фойт» возвращает своего пилота на трассу лидером гонки, после чего Сато создает себе отрыв в несколько секунд. Ближе к середине финального отрезка преследовавший лидера Грэм Рэйхол, выступающий на прошлогодней машине Сато, казалось бы, начинает сокращать отрыв, однако преимущество Такумы сокращается лишь незначительно, после чего японец взвинчивает темп, понимая, что топлива до финиша достаточно.
Гоночный инженер по ходу финальных минут гонки твердит гонщику: «Никакого давления, никакого давления, у тебя несколько секунд преимущества», а на последнем круге в первом повороте сталкиваются Тони Канаан и Ориоль Сервия, судьи вывешивают жёлтые флаги, фиксируя позиции…
«Это был идеальный уик-энд. Команда проводила отличные пит-стопы, все решения были абсолютно верными, машина вела себя просто идеально — я мог комфортно атаковать на всех участках трассы. Это отличные новости для Японии, ведь совсем скоро там наступит утро понедельника — надеюсь, результаты гонки поднимут настроение моим соотечественникам», — заявил японец после победного финиша, став первым представителем Страны восходящего солнца, выигравшим гонку IndyCar.