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A partir de [[Temporada 2013 de la IndyCar Series|2013]], Satō corre al volante del monoplaza #14 de [[A. J. Foyt Enterprises|A.J. Foyt]].<ref name="AJ Foyt"/> En su estreno con el equipo en [[Gran Premio de San Petersburgo|San Petersburgo]], sorprendió al clasificarse en primera línea de parrilla, terminando 8º en carrera tras un toque que le dañó el alerón delantero. Un problema para engranar la marcha tras un repostaje le privó de un buen resultado en [[Barber Motorsports Park|Barber]]. Finalmente, el [[21 de abril]] de [[2013]], Takuma gana en [[Circuito callejero de Long Beach|Long Beach]] y se convierte en el primer piloto japonés que vence en la IndyCar.<ref>{{cita web|url=http://www.motorsport.com/indycar/news/sato-in-perfect-run-at-long-beach/|título=Sato in perfect run at Long Beach|fecha=21 de abril de 2013|obra=motorsport.com|autor=Jennings, Joe|idioma=inglés}}</ref> Este triunfo fue histórico, ya que es el nivel más alto en el que un piloto asiático ha ganado en el automovilismo. Estuvo a punto de repetir victoria el [[5 de mayo]] en [[Circuito callejero de San Pablo|Sao Paulo]], pero finalmente terminó segundo tras ser adelantado por [[James Hinchcliffe]] en la última curva, pese a lo cual se situó como líder de campeonato.<ref>{{cita web|url=https://www.motorsport.com/indycar/news/hinchcliffe-wins-on-streets-of-sao-paulo-to-claim-second-indycar-series-career-victory/|título=Hinchcliffe wins on streets of Sao Paulo to claim second IndyCar series career victory|obra=motorsport.com|fecha=6 de mayo de 2013|idioma=inglés}}</ref> En las [[500 millas de Indianápolis]], salía 18º, y tras remontar hasta el 6º puesto, hizo un trompo que le dejó en las últimas posiciones. Finalmente, acabó 13º. En [[Circuito callejero de Detroit |Detroit]] sufrió su primer abandono de la temporada al ser empujado hacia las protecciones por [[Tristan Vautier]].<ref>{{cita web|url=http://www.motorsport.com/indycar/news/foyt-s-sato-not-finished-race-2-in-detroit/|título=Foyt's Sato not finished Race 2 in Detroit|obra=motorsport.com|fecha=3 de junio de 2013|idioma=inglés}}</ref> Satō tuvo opciones de conseguir un nuevo podio en [[Milwaukee Mile|Milwaukee]], pero una bandera amarilla perjudicó su estrategia y terminó 7º.<ref>{{cita web|url=http://www.motorsport.com/indycar/news/yellow-flag-cost-sato-a-chance-of-podium-on-milwaukee-mile/|título=Yellow flag cost Sato a chance of podium on Milwaukee Mile|obra=motorsport.com|fecha=16 de junio de 2013|idioma=inglés}}</ref> Pero luego encadenó cuatro abandonos consecutivos: Dos por avería (motor y escapes) y dos por accidente. En [[Mid-Ohio Sports Car Course|Mid-Ohio]] sufrió un complicado fin de semana en el que el coche no tuvo ritmo en ningún momento y sólo pudo ser 22º. Tras varios eventos sin fortuna, viéndose asolado por problemas mecánicos, el [[5 de octubre]], consigue su tercera pole en la IndyCar.<ref>{{cita web|url=http://www.autosport.com/news/report.php/id/110374|título=Houston IndyCar: Takuma Sato secures pole for AJ Foyt Racing|apellido=Glendenning|nombre=Mark|obra=[[Autosport]]|editorial=[[Haymarket Group]]|fecha=5 de octubre de 2013|idioma=inglés}}</ref> Pero nuevamente se ve involucrado en dos accidentes ese fin de semana, el segundo de ellos de bastante entidad y que también afectó a [[Dario Franchitti]] y [[Ernesto José Viso]].<ref>{{cita web|url=http://www.autosport.com/news/report.php/id/110452|título=Takuma Sato relieved at Dario Franchitti IndyCar Houston crash escape|apellido=Simmons|nombre=Marcus|obra=[[Autosport]]|editorial=[[Haymarket Group]]|fecha=8 de octubre de 2013|idioma=inglés}}</ref> Concluyó la temporada con otra avería, siendo 17º clasificado del campeonato, tras una recta final plagada de infortunios.
El 17 de diciembre de 2013, Foyt confirmaconfirmó que Satō seguiráseguiría corriendo para su equipo en [[Temporada 2014 de la IndyCar Series|2014]].<ref>{{cita web|url=http://www.indycar.com/News/2013/12/12-17-Foyt-team-confirms-Sato-for-2014|título=Foyt team confirms Sato to return for '14 season|apellido=Lewandowski|nombre=Dave|obra=[[IndyCar Series]]|fecha=17 de diciembre de 2013|fechaacceso=17 de diciembre de 2013|idioma=inglés}}</ref><ref>{{cita web|url=http://www.motorsport.com/indycar/news/sato-and-foyt-a-winning-combination/|título=Sato and Foyt: a winning combination|obra=motorsport.com|fecha=17 de diciembre de 2013|fechaacceso=18 de diciembre de 2013|idioma=inglés}}</ref> Comienza la temporada en [[Gran Premio de San Petersburgo|San Petersburgo]] de la mejor forma posible, obteniendo la [[pole position]],<ref>{{cita web|url=http://www.autosport.com/news/report.php/id/113185|título=St Petersburg IndyCar: Sato grabs pole in delayed qualifying|apellido=Glendenning|nombre=Mark|obra=[[Autosport]]|editorial=[[Haymarket Group]]|fecha=29 de marzo de 2014|fechaacceso=30 de marzo de 2014|idioma=inglés}}</ref> pero en carrera tiene problemas con los neumáticos después de su primera parada y termina 7º. En [[Circuito callejero de Long Beach|Long Beach]] tiene que abandonar cuando rodaba entre los 10 primeros después de verse envuelto en un accidente múltiple. En las [[500 millas de Indianápolis]] rodaba quinto, pero tuvo que parar para que le retiraran una pieza de otro monoplaza de su pontón, lo que le retrasó hasta el 18º puesto final. En la primera ronda de [[Circuito callejero de Detroit|Detroit]], termina la carrera muy atrasado por problemas de caja de cambios; y en la segunda, pese a hacerse de nuevo con la posición preferente (con récord de vuelta del circuito incluido),<ref>{{cita web|url=http://www.autosport.com/news/report.php/id/114235|título=Detroit IndyCar: Takuma Sato secures pole for AJ Foyt Racing|apellido=Glendenning|nombre=Mark|obra=[[Autosport]]|editorial=[[Haymarket Group]]|fecha=1 de junio de 2014|fechaacceso=2 de junio de 2014|idioma=inglés}}</ref> pierde posiciones en un mal "pit stop" y sufre dos toques por parte de [[Ryan Briscoe]] y [[Marco Andretti]] que le llevan a acabar en 18º puesto. En [[Texas Motor Speedway|Texas]], a falta de 7 vueltas para el final, tiene que abandonar debido a un fallo de motor cuando rodaba 13º. En la primera de dos carreras en [[Gran Premio de Houston|Houston]] protagonizó un comienzo increíble, pasando del 6º puesto inicial al 1º en apenas 5 vueltas, hasta que una colisión con [[Mikhail Aleshin]], que le intentó adelantar para recuperar su vuelta perdida, acabó con su carrera;<ref>{{cita web|url=http://www.motorsport.com/indycar/news/huertas-earns-maiden-indycar-victory-in-a-colombian-1-2-3/|título=Huertas earns maiden IndyCar victory in a Colombian 1-2-3|obra=motorsport.com|fecha=28 de junio de 2014|idioma=inglés}}</ref> mientras que en la segunda, vuelve a ser golpeado por [[Marco Andretti]] y termina abandonando al golpear el muro. Su mala racha continúa con más abandonos en [[Pocono Raceway|Pocono]], por problemas eléctricos cuando era el 8º clasificado tras 25 vueltas;<ref>{{cita web|url=http://motorsportstalk.nbcsports.com/2014/07/08/indycar-takuma-sato-and-a-j-foyt-racing-are-in-serious-need-of-a-luck-shift/|título=IndyCar: Takuma Sato and A.J. Foyt Racing are in serious need of a luck shift|apellido=DiZinno|nombre=Tony|obra=[[NBC Sports]]|fecha=8 de julio de 2014|idioma=inglés}}</ref> y en [[Iowa Speedway|Iowa]], donde otra vez [[Mikhail Aleshin]] se lo llevó por delante. Finalmente pone fin a 6 abandonos consecutivos con su mejor resultado del año, un 5º puesto, en la segunda carrera de [[Gran Premio de Toronto|Toronto]]. En [[Sears Point Raceway|Sonoma]], pese a comenzar en las últimas posiciones, la estrategia y el coche funcionaron y Satō terminó 4º, su mejor resultado del año.<ref>{{cita web|url=http://www.indycar.com/News/2014/08/8-25-Sonoma-movers-and-shakers|título=Sonoma movers & shakers: Change is good for Sato|apellido=Lewandowski|nombre=Dave|obra=[[IndyCar Series]]|fecha=25 de agosto de 2014|fechaacceso=25 de agosto de 2014|idioma=inglés}}</ref>
El 29 de octubre de 2014, esfue anunciado por tercer año como piloto del equipo [[A. J. Foyt Enterprises|Foyt]], esta vez con [[Jack Hawksworth]] como compañero.<ref>{{cita web|url=httphttps://www.gpupdatefoxsports.netcom/enmotor/story/indycar-series-news/318169/hawksworth-joins-sato-atto-foytrun-full-time-for-foyt-in-2015/-102914|título=IndyCar: Hawksworth joins, Sato atto Foytrun full time for Foyt in 2015|obra=GPUpdate[[Fox Sports]]|fecha=29 de octubre de 2014|idioma=inglés}}</ref> Comenzó la [[Temporada 2015 de la IndyCar Series|temporada 2015]] de manera sólida, mostrándose como el mejor piloto de los que usaban aerokit de Honda; pero mediada la prueba, cuando iba 5º, un toque le dañó su alerón delantero y tuvo que entrar a los pits para cambiarlo, lo que le hizo perder muchas posiciones al estar el periodo de amarilla, y terminó 13º. En [[NOLA Motorsports Park|New Orleans]], tuvo que abandonar en las últimas vueltas tras recibir un golpe en un incidente entre [[Marco Andretti]] y [[Charlie Kimball]]. Fue 13º en [[Circuito callejero de Long Beach|Long Beach]] tras una clasificación interrumpida por bandera roja y quedarse sin combustible en la última vuelta. Otro contacto, esta vez por parte de [[Will Power]], volvió a perjudicarle en [[Barber Motorsports Park|Alabama]], donde concluyó en 17º lugar. Por fin logró terminar en el ''top ten'' (9º) en una carrera sin incidentes en [[Circuito de Indianápolis|Indianápolis]]. En [[Circuito callejero de Detroit|Detroit]], clasificó 4º y subió al 1º puesto en la primera vuelta bajo la lluvia, pero un toque con [[Josef Newgarden]] le obligó a cambiar el alerón, lo que acabó con sus opciones y le hizo terminar 11º.<ref>{{cita web|url=http://www.indycar.com/News/2015/05/5-30-Munoz-wins-shortened-Race-1-of-Dual-in-Detroit|título=Munoz earns maiden win; weather shortens race|apellido=Lewandowski|nombre=Dave|obra=[[IndyCar Series]]|fecha=30 de mayo de 2015|idioma=inglés}}</ref> En la segunda carrera del fin de semana tuvo mejor fortuna y terminó segundo, obteniendo su primer podio en dos años.<ref>{{cita web|url=http://lat.motorsport.com/indycar/news/sebastien-bourdais-triunfa-en-detroit|título=Sebastien Bourdais triunfa en Detroit|autor=De Groot, Nick|obra=motorsport.com|fecha=31 de mayo de 2015|idioma=español}}</ref> Terminó la temporada con un sexto en [[Pocono Raceway|Pocono]] y un octavo en [[Sears Point Raceway|Sonoma]]. Por tanto, el japonés finalizó 14º en el campeonato de pilotos.
El 16 de diciembre de 2015, se confirma que seguirá pilotando para [[A. J. Foyt Enterprises|Foyt]] un año más, lo que le convierte en el piloto más longevo en la historia este equipo (exceptuando al propio [[A. J. Foyt]]).<ref>{{cita web|url=http://www.autosport.com/news/report.php/id/122268|título=AJ Foyt Racing retains Sato and Hawksworth for 2016 IndyCar Series|obra=[[Autosport]]|editorial=[[Haymarket Group]]|fecha=16 de diciembre de 2015|idioma=inglés}}</ref> Sus mejores resultados fueron dos quintas posiciones ([[Circuito callejero de Long Beach|Long Beach]] y [[Gran Premio de Toronto|Toronto]]) y una sexta ([[Gran Premio de San Petersburgo|San Petersburgo]]), finalizando en 17º puesto en la clasificación general.
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