En 2013, Joe Dombrowski est recruté par l'équipe britannique Sky. Il débute avec cette équipe au Tour d'Oman, où il aide Christopher Froome à gagner[2]. Avec ses coéquipiers il remporte le contre-la-montre par équipes du Tour du Trentin[3].
À partir du mois de juin de cette année, il souffre au genou gauche et voit son niveau baisser. Ce n'est qu'un an plus tard qu'est diagnostiqué un problème à l'artère iliaque. Opéré en , il doit ensuite rester six semaines sans vélo, puis reprendre en gardant un rythme cardiaque modéré pendant neuf semaines. Il dispute ainsi les Grands Prix de Montréal et Québec, qu'il quitte rapidement[4]. Entretemps, il est 19e du Tour de Pékin et sixième de la Japan Cup en fin de saison 2013[3], et aide Bradley Wiggins à gagner le Tour de Californie 2014[5]. À l'issue de cette saison, il quitte Sky et rejoint l'équipe américaine Cannondale-Garmin[4],[5].
