Чилингаров пришел в политику в 1990-е. Был депутатом Госдумы I–V созывов с 1993 по 2011 г., с 2002 г. – членом фракции «Единая Россия». С ноября 2011 по июль 2014 г. был сенатором от Тульской области. Вернулся в Госдуму в 2016 г., был избран депутатом VII–VIII созывов. Летом 2007 г. Чилингаров вместе с другими исследователями на подводном аппарате «Мир» первым в мире опустился на дно Северного Ледовитого океана в районе Северного полюса. Ученый также участвовал в ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, произошедшей в 1986 г.