Seit der Saison 2013 steht Hamilton bei Mercedes in der Formel 1 unter Vertrag, wo er zunächst bis zum Ende der Saison 2015 unterschrieb. Er wurde Teamkollege von Nico Rosberg. Bereits beim zweiten Rennen in Malaysia erzielte Hamilton mit einem dritten Platz seine erste Podest-Platzierung für Mercedes. Allerdings wurde Rosberg, der direkt hinter ihm ins Ziel kam, mehrfach von der Teamleitung zu verstehen gegeben, Hamilton nicht zu überholen. Beim darauf folgenden Großen Preis von China erzielte Hamilton die erste Pole-Position als Mercedes-Pilot. Im Rennen folgte mit einem dritten Platz eine weitere Podest-Platzierung. Nach drei Rennen ohne Podest-Platzierung wurde Hamilton in Kanada wieder Dritter. Bei seinem Heimrennen in Großbritannien führte Hamilton das Rennen von der Pole-Position startend zunächst an. Nachdem er durch einen Reifenschaden weit zurückgefallen war, holte er sukzessive auf und wurde schließlich Vierter. Eine Woche später in Deutschland startete Hamilton erneut von der Pole-Position. Er verlor jedoch schon beim Start die Führung und wurde schließlich Fünfter. Beim darauf folgenden Rennen, dem Großen Preis von Ungarn, erzielte Hamilton seinen ersten Sieg für Mercedes von der Pole-Position startend. Ein Rennen später in Belgien startete Hamilton erneut von der Pole-Position. Er verlor die Führung jedoch schon in der Startphase. Er kam auf dem dritten Platz ins Ziel. Hamilton erzielte 189 Punkte und beendete die Saison auf dem vierten Platz. Damit setzte er sich intern gegen Rosberg durch, der 171 Punkte geholt hatte.