2011 novemberében a Force India autóját vezethette a fiatalok tesztjén Abu-Dzabiban a Yas Marina Circuit versenypályán. Ez volt a második alkalom, hogy Formula–1-es autót tesztelt. Később a Marussia F1 Team tesztpilótája lett a 2012-es évad második felétől a japán nagydíjat követően. Abu-Dzabiban részt vett az első szabadedzésen. 2012. december 18-án bejelentették, hogy ő lesz a csapattársa Timo Glocknak. 2013. január végén bejelentették, hogy Glock elhagyja a csapatott és helyére Luiz Razia érkezik. Ez az információ azonban valótlannak bizonyult, mert Chilton csapattársa a francia Jules Bianchi lett a 2013-as idényre. A páros változatlan maradt 2014-ben is. Chilton a 2013-as szezon összes, szám szerint 19 futamán célba ért, ezzel rekordot állított fel. Sorozata csupán a 2014-es kanadai nagydíjon szakadt meg, ahol baleset miatt esett ki. Ekkorra sorozatban 25 futamon ért célba.