Beim darauf folgenden Großen Preis von Singapur schied Hamilton in Führung liegend mit einem technischen Problem aus. In der Woche nach dem Grand Prix wurde bekannt, dass er McLaren zur Formel-1-Weltmeisterschaft 2013 verlassen werde und einen Vertrag bei Mercedes unterschrieben hatte. Dort ersetzte er Michael Schumacher. Beim Großen Preis von Abu Dhabi fiel Hamilton ein weiteres Mal mit einem technischen Problem in Führung liegend aus. Zwei Wochen später gewann er den Großen Preis der USA auf der neuen Rennstrecke in Austin. Beim letzten Saisonrennen in Brasilien schied Hamilton nach einer Kollision mit Nico Hülkenberg in einem Duell um die Führung aus. Am Saisonende belegte er den vierten Platz in der Weltmeisterschaft und setzte sich mit 190 zu 188 Punkten knapp gegen Button durch.