Joulukuussa 2012 Marussian tekninen johtaja Nikolai Fomenko ilmoitti Chiltonin kilpailevan tallin toisena kilpakuljettajana 2013. Talli vahvisti seuraavana päivänä Chiltonin kilpailevan jokaisessa kilpailussa. Chilton debytoi 17. maaliskuuta 2013 Australian GP:ssä. Hän oli ensimmäisessä kilpailussaan 17:s. Chiltonin ajoi kauden parhaan tuloksensa Monacon GP:ssä sijoittuen 14:ksi. Hän ajoi kauden kaikki 19 kilpailua maaliin saakka, jonka myötä hän sai nimiinsä ennätyksen enimmästä määrästä maaliin ajettuja kilpailuja uran alusta laskettuna.