Debut con las flechas plateadas y primer título con Mercedes

Lewis Hamilton comienza 2013 en la escudería Mercedes AMG F1 Team. El piloto inglés asumía que no iba a ser fácil luchar por el campeonato con la escudería alemana después de sus flojos resultados en los últimos años y esperaba mejorar poco a poco.38​ En su debut con el nuevo equipo en el GP de Australia, Hamilton se clasifica en 3.er puesto y termina la carrera 5.º. En Malasia, acaba en 3.ª posición y así obtiene el primer podio con las "flechas de plata", resultado que repetiría en China saliendo desde la pole. Luego consigue clasificarse cuarto en Baréin, aunque se ve penalizado por romper su caja de cambios y se obliga a salir desde la novena plaza, pero en la carrera logra concluir quinto. En Silverstone consiguió una nueva pole, pero un pinchazo le hizo perder muchas posiciones, aunque luego remontó y acabó cuarto. Finalmente, obtiene su primer triunfo con Mercedes en Hungría después de dominar toda la carrera. En su siguiente carrera en Bélgica logró otro gran resultado al acabar en la 3.ª posición. Su final de temporada fue discreto, finalizando 9.º en Italia y en la 5.ª posición tanto en Singapur como en Corea. En la siguiente carrera, en Japón, consumió su primer abandono de la temporada y el primero con Mercedes tras retirarse en la vuelta 9, debido a los daños que sufrió después de un pinchazo en la primera curva. Luego acabó sexto en India y 7° en la noche de Abu Dabi. Rozó de nuevo el podio en la penúltima prueba en Estados Unidos tras acabar en la 4.ª posición final. En la última prueba del campeonato celebrada en Brasil solo pudo acabar en una decepcionante 9.ª plaza. Logró 189 puntos en total, acabando el Mundial en la 4.ª plaza con tan solo una victoria y cinco podios, todas ellos durante las once primeras pruebas. En 2014, Hamilton comienza obteniendo la pole en Australia, pero tuvo que abandonar en carrera en la segunda vuelta por un problema de motor y ganó su compañero Nico Rosberg. Ganó de manera seguida las cuatro fechas siguientes (Malasia, Baréin, China, España) donde obtuvo la pole en todas a excepción de Baréin haciéndose líder del mundial con 3 puntos de ventaja sobre Rosberg. En la clasificación de Mónaco su compañero tuvo un error y se despistó. Los comisarios colocaron bandera amarilla en todo el circuito, lo que le impidió a Hamilton mejorar el tiempo, por lo que partió segundo y finalizó en igual posición. De esta forma el liderazgo del mundial volvió al alemán. En Canadá se clasificó segundo. Durante la carrera ambos Mercedes perdieron simultáneamente potencia en sus motores. Lewis abandona por problemas de frenos a mitad del Gran Premio; su compañero termina segundo a pesar de los problemas y gana Daniel Ricciardo. En Austria Lewis clasificó noveno por un error en clasificación. En la primera vuelta del Gran Premio se colocó en cuarta posición. Terminó segundo detrás de su compañero. La ventaja llegó a 29 puntos a favor del alemán. En Silverstone se clasificó sexto por otro error propio; en carrera Rosberg abandonó por problemas en la caja de cambios y ganó Lewis, reduciendo la ventaja de 29 a 4 puntos aun a favor del alemán. En Alemania quedó 16.º en la clasificación debido a un problema en los frenos, pero por cambiar la caja de cambios salió en el lugar 20. Finalizó tercero y ganó Rosberg en una polémica carrera cuando el Sauber de Adrián Sutil se quedó parado en plena recta principal y nunca salió el coche de seguridad. En Hungría se clasificó último sin completar ni una vuelta en la sesión de clasificación porque su motor se incendió en los primeros minutos. Salió desde el pit lane junto a Kevin Magnussen, terminó tercero por delante de Rosberg, quien partió desde la pole. Hubo polémica luego de una orden de equipo pidiéndole a Lewis que dejase pasar a Rosberg por estrategia ya que Rosberg aún tenía una parada por delante, orden a la que Hamilton hizo caso omiso. En Bélgica se clasifica segundo. En la vuelta 2 de carrera el alerón delantero de Rosberg tocó la rueda trasera, causándole un pinchazo. Lewis hace una vuelta entera con el neumático pinchado, rompiendo el diferencial del coche. Hamilton se retiraría indignado a 4 vueltas del final cuando no podía sobrepasar autos lentos como Caterham debido a sus daños en el chasis. Ricciardo ganó la carrera y Rosberg terminó segundo. La ventaja quedó en 29 puntos a favor del alemán. Desde Italia hasta EE. UU. lograría 5 victorias consecutivas (en la segunda de estas, Singapur, Rosberg abandonó por problemas en la electrónica) dejando a Lewis líder con 24 puntos de ventaja. En Sao Paulo clasificó segundo y terminó en la misma posición detrás de Rosberg, terminando su racha de victorias consecutivas. En la gran final en Abu Dabi, donde se otorga doble puntuación a las posiciones puntuables (1º- 10.º) clasificó segundo tras varios errores en clasificación. Lewis cruzó la curva 1 primero; a mitad de carrera su compañero Rosberg (segundo en ese momento y a quien le llevaba 17 puntos de ventaja en el campeonato) necesitaba ganar y que Lewis terminara dos posiciones por debajo de la que tenía. Rosberg comenzó a tener problemas en el sistema de recuperación de energía cinética (ERS), que le causó una pérdida de potencia de unos 80 a 40 CV, por lo que se fue retrasando en la parrilla y terminó en la posición 14, mientras Hamilton era amenazado por Massa y su estrategia estuvo a punto de perder el primer lugar, pero no el campeonato ya que le llevaba una vuelta de ventaja a Nico. Hamilton terminó y se consagró campeón del mundo con Mercedes.39​ En diciembre de 2014 la BBC lo nombró "deportista del año".