Walt Hansgen, qui l’a poussé vers les volants d’usine Ford, partage avec lui la Ford GT40 Mk II numéro 95 de Holman-Moody aux 24 Heures de Daytona en février 1966. Les deux hommes terminent troisièmes, derrière deux autres Ford. Hansgen se tue en avril lors des essais préliminaires du Mans, après un aquaplanage, et Donohue perd d’un coup son mentor et son équipier. Il dispute Le Mans en juin avec Paul Hawkins sur la même Mk II, abandon au douzième tour sur rupture de différentiel. Roger Penske, qui monte alors sa propre écurie, l’engage pour la fin de saison en USRRC et en Can-Am. L’accord dépasse le volant : Donohue devient aussi l’ingénieur de développement de la structure.

En 1967, Donohue enlève le championnat USRRC sur la Lola T70 de Penske avec six victoires en sept départs, une troisième place à Laguna Seca constituant sa seule course sans succès. Il conserve le titre en 1968, cette fois sur la McLaren M6A, et décroche entre-temps sa meilleure performance au Mans, quatrième en juin 1967 avec Bruce McLaren sur la Ford Mk IV de Shelby-American. Le Trans-Am, où Penske aligne des Chevrolet Camaro Z/28 allégées par décapage chimique de la caisse, devient le terrain de démonstration de sa méthode : dix victoires en treize courses en 1968, dont huit consécutives, puis six victoires en 1969. Le titre récompense alors le constructeur, en l’occurrence Chevrolet, jamais le pilote. Donohue totalisera 29 victoires en Trans-Am pour Penske et 43 podiums en 55 départs.

Associé à Chuck Parsons sur la Lola T70 Mk3B Chevrolet numéro 6 aux couleurs Sunoco, Donohue gagne les 24 Heures de Daytona. Penske avait fondé sa stratégie sur l’usure : consigne de rythme prudent, pas de bataille pour la tête tant que l’épreuve n’entre pas dans sa dernière phase. Le calcul se vérifie, les cinq Porsche 908 d’usine engagées abandonnent toutes, et la Lola l’emporte malgré une série de pannes traitées au stand. C’est la première victoire de Penske à Daytona et la première d’une Chevrolet dans une grande épreuve d’endurance internationale. Quarante ans plus tard, en 2009, son fils David gagnera la même course.

Donohue découvre les 500 miles d’Indianapolis en 1969 au volant de la Lola T152 à quatre roues motrices, à moteur Offenhauser, engagée par Penske. Il termine septième et reçoit le titre de meilleur débutant de l’épreuve. L’année suivante, sur la Lola T153 dont Penske a acquis le seul exemplaire construit, il part au milieu de la deuxième ligne et finit deuxième derrière Al Unser. L’écurie aborde l’Indycar comme elle a abordé le Trans-Am, par la préparation et le travail des arrêts au stand plutôt que par la seule performance en piste. En 1971, Donohue gagne la première édition des 500 miles de Pocono, victoire inaugurale de Penske dans la discipline, mais abandonne à Indianapolis sur la McLaren M16 et se retrouve classé vingt-cinquième. Il aura donc échoué trois fois avant de gagner.

Parti troisième sur la McLaren M16B Offenhauser numéro 66, Donohue court la majeure partie de l’épreuve derrière son équipier Gary Bettenhausen, qui mène 138 des 200 tours avant qu’un problème d’allumage ne l’arrête au 176e et ne le renvoie à la quatorzième place. Donohue prend la tête au 188e tour et la garde jusqu’au drapeau, avec 3 min 10 s 95 d’avance sur Al Unser. Sa moyenne de 162,962 miles/h, soit 262,3 km/h, établit un record de l’épreuve qui tiendra jusqu’en 1984. Roger Penske gagne là ses premiers 500 miles d’Indianapolis, prélude à la série de victoires qui fera de son écurie la plus titrée de l’histoire de la course.

Aux essais de Road Atlanta, quelques jours avant la deuxième manche du Can-Am, la carrosserie arrière de la Porsche 917/10 se détache et la voiture part en tonneaux. Les récits les plus détaillés attribuent la rupture à une goupille de fixation mal verrouillée, d’autres à une défaillance de la direction. Donohue s’en sort avec le genou gauche et la cuisse touchés, des ligaments déchirés qu’il faut opérer et six semaines de plâtre, tandis que certaines relations parlent d’une jambe fracturée. George Follmer reprend la 917/10 d’usine et enlève le championnat 1972. Donohue suit les courses en béquilles, revient à Edmonton le 27 août et gagne l’épreuve, sans pouvoir rattraper le classement.

La Porsche 917/30, dont Donohue a conduit toute la mise au point pour l’usine, aligne un flat-12 de 5,4 litres à deux turbocompresseurs, environ 1 100 ch en configuration de course et plus de 1 500 ch en qualification. Charlie Kemp gagne l’ouverture à Mosport, Follmer la deuxième manche, puis Donohue remporte les six dernières : Watkins Glen le 22 juillet, Mid-Ohio le 12 août, Road America le 26 août, Edmonton le 16 septembre, Laguna Seca le 14 octobre et Riverside le 28 octobre. Il signe aussi le meilleur tour de chaque course et termine à 139 points contre 62 à Follmer. Le SCCA imposera pour 1974 une consommation plafonnée à trois miles par gallon, mesure qui écarte les turbocompressées et vide la série.

Au lendemain de sa victoire de Riverside, Donohue annonce qu’il arrête la compétition. La saison a été dure : les accidents d’Indianapolis 1973 et la mort de son ami Swede Savage pèsent sur la décision. Il prend la présidence de Penske Racing et consacre 1974 à la direction de l’écurie ainsi qu’à la rédaction de « The Unfair Advantage ». Restait un engagement pris : l’International Race of Champions, quatre courses sur des Porsche 911 Carrera RSR 3.0 strictement identiques, trois à Riverside les 27 et 28 octobre 1973, la finale à Daytona le 14 février 1974. Donohue en gagne trois et empoche le classement, doté de 54 000 dollars, devant Denny Hulme, Richard Petty et A. J. Foyt.

Penske monte une écurie de Formule 1 et rappelle Donohue au volant pour les deux dernières courses de 1974. La PC1, dessinée par Geoff Ferris autour d’une monocoque aluminium et d’un Ford Cosworth DFV, débute au Grand Prix du Canada à Mosport : qualifiée vingt-quatrième, classée douzième. La saison 1975 est disputée en entier. Donohue tire le meilleur de la voiture en Suède, cinquième à Anderstorp le 8 juin, puis Penske renonce à son propre châssis et achète une March 751 client, sur laquelle il termine cinquième du Grand Prix de Grande-Bretagne le 19 juillet. Son bilan en championnat du monde tient en 16 engagements, 14 départs, 8 points et un podium, la troisième place de Mosport en 1971 sur la McLaren M19A.

Le 9 août, Penske ressort la 917/30 pour attaquer le record du monde de vitesse sur circuit fermé à Talladega. La voiture reçoit une aérodynamique affinée et le moteur de 5,0 litres, jugé plus fiable, qui délivre 1 230 ch au banc et 382 km/h en pointe. Donohue boucle l’ovale de 4,28 km en 43,3 s, à 355,848 km/h de moyenne selon les archives Porsche, et efface le record de A. J. Foyt, 350,53 km/h. Huit jours plus tard, au warm-up du dimanche matin du Grand Prix d’Autriche, le pneu avant gauche de sa March 751 éclate dans le Vöest-Hügel. La voiture traverse les grillages et percute un panneau publicitaire. Donohue se relève et se dit indemne, perd connaissance sur le trajet vers Graz, où l’opération d’une hémorragie cérébrale échoue. Il meurt le 19 août 1975. Le commissaire de piste Manfred Schaller, atteint par les débris, succombe également.