Zur Saison 2013 wechselte Chilton in die Formel 1 zu Marussia. Bei seinem Debüt in Australien wurde er 17. Sein bestes Resultat war ein 14. Platz beim Großen Preis von Monaco. Chilton erreichte bei allen 19 Rennen seiner Debütsaison das Ziel und stellte damit einen neuen Rekord auf. Er beendete die Saison auf dem 23. Gesamtrang. Teamintern unterlag er Jules Bianchi, der 19. wurde und sowohl das Qualfying-, als auch das Rennduell deutlich für sich entschied. 2014 blieb Chilton bei Marussia. Er wählte die #4 als seine permanente Startnummer. Nachdem er bei den ersten 25 Rennen seiner Karriere stets das Ziel erreicht hatte, schied er im Großen Preis von Kanada nach einer Kollision mit seinem Teamkollegen erstmals aus. Beim Großen Preis von Belgien sollte er aus vertraglichen Gründen durch Alexander Rossi vertreten werden. Jedoch wurde Chilton zum zweiten freien Training wieder als Einsatzpilot gemeldet. Nach dem Großen Preis von Russland meldete Marussia Insolvenz an und trat infolgedessen zum nächsten Rennen nicht an. Zwei 13. Plätze waren Chiltons beste Ergebnisse. Am Saisonende belegte er punktelos den 21. Gesamtrang. Sein in Japan schwer verunglückter Teamkollege Bianchi hatte in dieser Saison die ersten Punkte für Marussia erzielt.