2010

Obwohl Keselowski Verbindungen mit Hendrick Motorsports hatte, wechselte er 2010 zu Team Penske und damit auch von Chevrolet zu Dodge, da bei Hendrick Motorsports in absehbarer Zukunft kein Platz für ihn frei werden würde.

Er fuhr die komplette Saison 2010 in der Nummer 12 in der Cup Series, zusätzlich trat er auch bei allen Rennen der Nationwide Series in der Nummer 22 an.

Im vierten Saisonrennen des Cups in Atlanta berührte Keselowski unabsichtlich den Wagen von Edwards, der daraufhin in die Mauer rutschte. Kurz vor Rennende, Keselowski war auf dem Weg zu einem Top 5 Ergebnis, drehte Edwards ihn absichtlich um, woraufhin Keselowski's Wagen Edwards Unfall aus dem Vorjahr in Talladega ähnlich abhob und in die Mauer einschlug. Edwards wurde daraufhin von NASCAR bestraft.

Die Rivalität setzte sich auch in der Nationwide-Series fort. Auf dem Gateway International Raceway kämpften die Fahrer um den Sieg, in der letzten Runde wurde Edwards unabsichtlich von Keselowski berührt, der ihn daraufhin wieder vorbeiließ. In der letzten Kurve des Rennens versuchte Keselowski zu überholen, Edwards rammte ihn jedoch absichtlich und gewann das Rennen, während der verunfallte Keselowski nur 14. wurde.

Im Sprint Cup verlief die Saison 2010 nicht sehr erfolgreich, mit nur zwei Top 10 Ergebnissen landete er auf dem 25. Platz der Gesamtwertung. In der Nationwide Series hingegen fuhr er sechs Siege ein, mit insgesamt 26 Top 5 Ergebnissen konnte er die Meisterschaft gewinnen.

2011

Für die Sprint Cup Saison 2011 wechselte Keselowski zur Nummer 2. Nach einem mäßigen Saisonstart konnte er in Kansas gewinnen. Bei einem Test auf Road Atlanta versagten seine Bremsen, sodass er mit etwas über 300 km/h frontal in eine Betonmauer einschlug, dabei brach er sich einen Knöchel. Er wurde sofort nach dem Unfall mit starken Rückenschmerzen in das nächste Krankenhaus eingeliefert, vier Tage später konnte er jedoch schon wieder in Pocono an einem Rennen teilnehmen, welches er sogar gewinnen konnte. Es folgte ein zweiter und ein dritter Platz, bevor er in Bristol sein nächstes Rennen gewinnen konnte. Keselowski zog in den Chase ein und beendete die Saison noch vor seinem Teamkollegen Busch auf dem fünften Platz.

In der Nationwide Series trat er 2011 in 29 von 34 Rennen an, von denen er fünf gewinnen konnte.

2012

Schon beim Daytona 500 konnte Keselowski Aufsehen erregen, da er während einer Rennunterbrechung aus dem Auto heraus Bilder auf Twitter stellte. Das Rennen konnte er nach einem Unfall nur auf dem 32. Platz beenden. Er konnte die Rennen in Bristol, Talladega und Kentucky gewinnen. Nach seinem Sieg in Kentucky beendete er die folgenden 19 Rennen bis zum Saisonende bis auf zwei Ausnahmen immer unter den ersten elf, darunter auch zwei zweite Plätze in Watkins Glen und Michigan. In Watkins Glen lag er zu Beginn der letzten Runde auf dem zweiten Platz, da der führende Kyle Busch durch Öl auf der Strecke ins rutschen kam, Keselowski konnte eine Berührung nicht verhindern, wodurch sich Busch drehte. In den letzten Kurven des Rennens wurde Keselowski dann jedoch noch von Marcos Ambrose überholt, der das Rennen gewinnen konnte. Beim darauffolgenden Rennen in Michigan lag Keselowski zehn Runden vor Rennende in Führung, wurde dann jedoch noch überholt.

Keselowski begann den Chase auf Platz vier der Gesamtwertung liegend, da er das erste Rennen des Chases in Chicago sowie zwei Wochen später in Dover gewinnen konnte, gelangte er an die Spitze der Punktewertung. Zwischenzeitlich fiel er wieder hinter Johnson zurück, dieser musste jedoch beim vorletzten Rennen in Phoenix einen Unfall hinnehmen. Während einer Unterbrechung des Rennens hatte Keselowski wieder Bilder aus seinem Auto heraus ins Internet gestellt, diesmal musste er dafür jedoch 25.000 $ Strafe zahlen. Beim Saisonfinale in Homestead reichte Keselowski ein 15. Platz für den Sieg der Meisterschaft; zu dieser Zeit existierte das jetzige Play-offs-Format noch nicht. Keselowski war nach Bobby Labonte damit der erst zweite Fahrer, der den Titel in den zwei höchsten NASCAR-Divisionen gewinnen konnte sowie der fünfte Cup-Series-Champion aus dem Norden der Vereinigten Staaten nach Bill Rexford, Alan Kulwicki, Tony Stewart und Matt Kenseth. Der Gewinn der Saison war neben seinen fünf Siegen auch den konstant guten Ergebnissen geschuldet, von den letzten 20 Saisonrennen beendete er nur zwei außerhalb der Top 11 (30. Platz in Bristol sowie der 15. Platz in Homestead).

Keselowski konnte bei 21 Starts in der Nationwide Series drei Siege erreichen. Sein Sieg auf dem Indianapolis Motor Speedway war der erste Erfolg der NASCAR-Sparte von Team Penske in Indianapolis, wo Penske schon 15 Siege im Indianapolis 500 einfahren konnte.

2013

Durch den Ausstieg von Dodge aus der NASCAR war Team Penske zu einem Herstellerwechsel gezwungen, man entschied sich für Ford, Keselowski fuhr daher für bereits drei verschiedene Marken. Auch bekam er in dieser Saison mit Joey Logano einen neuen Teamkollegen.

Er begann die Saison 2013 mit vier Top-5-Ergebnissen, danach hatte er jedoch viele schlechte Ergebnisse und Ausfälle zu verbuchen. Nach den ersten 26 Rennen lag er nur auf dem 16. Gesamtrang, wodurch er den Einzug in den Chase verpasste. In Charlotte konnte er jedoch noch einen Sieg erzielen, dies war sein erster Sieg seit 38 Rennen. Am 2. Oktober wurde verkündet, dass Keselowski seinen Vertrag bei Team Penske bis 2017 verlängert hat.

In der Nationwide Series lief es besser für Keselowski, von 16 Rennen gewann er sieben, darunter auch vier aufeinanderfolgende Siege.

2014

Nach der enttäuschenden Saison 2013 wurde 2014 wieder etwas erfolgreicher für Keselowski. Die ersten beiden Saisonrennen konnte er als dritter beenden, das folgende Rennen konnte er gewinnen, da dem führenden Dale Earnhardt Jr. in der letzten Runde der Treibstoff ausging. Der Sieg bedeutete gleichzeitig einen sicheren Einzug in den Chase. Die nächsten neun Rennen verliefen weniger erfolgreich, danach konnte er jedoch drei Rennen in Folge in den Top 3 beenden. In Pocono lag Keselowski in Führung, als ein Müllsack vor seinen Kühlergrill flog und die Frischluftzufuhr blockierte. Um Überhitzung zu verhindern, musste er den Sack mithilfe des Windschattens eines zu überrundenden Fahrzeuges entfernen, dabei wurde er jedoch von Earnhardt überholt und wurde nur zweiter. Seinen zweiten Saisonsieg feierte Keselowski in Kentucky, bei der Siegesfeier verletzte er sich an ein einer Champagnerflasche, die Wunde musste daraufhin genäht werden. Die Verletzung behinderte ihn jedoch nicht, beim nächsten Rennen in Daytona hatte er zwar einen Unfall, das darauffolgende in New Hampshire konnte er gewinnen. In Richmond konnte er etwas später den 400. Rennsieg für Team Penske sichern. Obwohl er noch in Talladega siegen konnte, zog er nicht in die letzte Runde des Chases ein. Er hatte die meisten Punkte aller aus dem Chase ausgeschiedenen Fahrer, seine sechs Saisonsiege stellten eine persönliche Bestleistung dar.

Zusätzlich konnte er noch fünf von elf Nationwide Series-Rennen gewinnen, auch erreichte er einen Sieg in der Camping World Truck Series, in der er vereinzelt angetreten war. Es war sein einziger Sieg in der Serie in über 60 Starts.

Keselowski war auch in diesem Jahr wieder Teil einiger Kontroversen. So kam er auf der Strecke mit seinem ehemaligen Teamkollegen Kurt Busch aneinander, mit Matt Kenseth, Jeff Gordon und Kevin Harvick hatte er Auseinandersetzungen nach einigen Rennen. Er musste 50.000 $ Strafe zahlen, mit der Begründung, er habe verbotenerweise nach dem Ende des Rennens absichtlich Kontakt mit dem Wagen von Kenseth herbeigeführt.

2015

In der Sprint-Cup Saison 2015 konnte er nur einen Siege erreichen, mit 25 Top-10-Ergebnissen stellte er jedoch einen Karrierebestwert auf. Sein erster Sieg konnte er in Fontana erzielen, nachdem er Kurt Busch in der letzten Runde überholte. Im nächsten Rennen in Martinsville verpasste er den Sieg um nur 0,3 Sekunden. Er hatte einen unauffälligen Sommer, konnte sich aber trotzdem für den Chase qualifizieren. Während des Chases hatte er einige gute Ergebnisse, konnte die Runde der letzten vier jedoch nicht erreichen.

Von neun teilgenommenen Rennen in der nun umbenannten Xfinity Series konnte er zwei gewinnen.

2016

Keselowski konnte das dritte Saisonrennen in Las Vegas gewinnen, sieben Rennen später folgte ein Sieg in Talladega, wiederum sieben Rennen später konnte er zwei aufeinanderfolgende Rennen in Daytona und Kentucky gewinnen. Mit vier Siegen und den meisten Punkten war er sicher für den Chase qualifiziert. Die zweite Runde des Chases begann er mit einem siebten Platz in Charlotte, in Kansas konnte Keselowski jedoch nur einen 38. Platz erreichen, da er seinen Wagen beschädigte. Um nicht aus dem Chase auszuscheiden musste er das nächste Rennen in Talladega gewinnen, er lag 90 Runden lang in Führung, ein Trümmerteil beschädigte jedoch seinen Kühlergrill, sodass sein Motor überhitzte und er wieder nur 38. wurde. Die Saison 2016 konnte er daher nur auf dem zwölften Platz abschließen.

In der Xfinity Series startete er in 15 Rennen, er konnte jedoch erstmals seit 2007 kein Rennen gewinnen.