Le 2 juillet 2013, les Cubs échangent Carlos Mármol aux Dodgers de Los Angeles contre le lanceur de relève droitier Matt Guerrier. Pour la première fois depuis longtemps, il se montre efficace : sa moyenne de points mérités s'élève à 2,53 avec 27 retraits sur des prises en 21 manches et un tiers lancées lors de 21 sorties en relève pour les Dodgers. En revanche, il accorde 19 buts-sur-balles. Il apparaît dans deux matchs de séries éliminatoires et blanchit en trois manches et deux tiers les Cardinals de Saint-Louis dans la Série de championnat de la Ligue nationale, ne leur donnant qu'un coup sûr et un but-sur-balles.