Successivamente firma con la Marussia un contratto da terzo pilota e collaudatore per la seconda parte del campionato Campionato Mondiale di Formula 1 2012, iniziando dal Gran Premio del Giappone. Chilton partecipò alla prima sessione di prove al Gran Premio di Abu Dhabi a novembre. Nel dicembre 2012, Nikolaj Fomenko, il capo ingegnere della Marussia, ha annunciato che Chilton correrà come pilota titolare con il team per il mondiale 2013. Il suo compagno di squadra è il francese Jules Bianchi, proveniente da un anno come collaudatore alla Force India. Il pilota inglese, però, non esordisce bene, venendo surclassato dal compagno di scuderia sia in Australia che in Malesia. Con l'avanzare della stagione Chilton continua a risultare meno veloce di Bianchi, riducendo però il distacco dal pilota francese e riuscendo a portare a termine tutte le gare della stagione. Questa regolarità, tuttavia, non lo porta a marcare punti né gli evita l'ultimo posto nella classifica piloti. Chilton viene confermato dalla Marussia anche per il campionato 2014, sempre al fianco di Jules Bianchi. Come nella stagione precedente il pilota britannico risulta complessivamente meno veloce del compagno di squadra, pur riuscendo a tagliare il traguardo con regolarità. Tuttavia, nel Gran Premio del Canada Chilton si deve ritirare per un contatto al primo passaggio proprio con Bianchi, ponendo fine alla serie di 25 gran premi completati consecutivi. A causa della crisi economica della Marussia, Chilton salta gli ultimi appuntamenti del campionato. Non avendo trovato un'altra scuderia interessata ad ingaggiarlo per la stagione 2015, Chilton conclude la sua carriera in Formula 1 con 0 punti conquistati.