Cahill teki maalin kauden ensimmäisessä ottelussa, kun hän voitti Readingia 4-2 22. elokuuta 2012. 31. elokuuta hän teki maalin UEFA:n Supercupissa 2012.
Chelsea hävisi 4-1. 5. joulukuuta 2012 Cahill teki ensimmäisen UEFA Champions League -maalinsa Nordsjællandin vastaan 6-1 kotiottelussa. 16. joulukuuta 2012 Cahill sai potkut Corinthiansia vastaan Chelsean 1-0 2012 FIFA Club World Cupin finaalipelissä, jonka hän hävisi Emersonin kanssa. Tammikuussa 2013 Cahill ei esiintynyt Stoke Cityä vastaan ottelussa, koska hänen poikansa Leo syntyi. 15. toukokuuta hän aloitti vuoden 2013 UEFA Europa League -finaalin Benficaa vastaan ja teki elintärkeän viimeisen taklauksen viimeisillä hetkillä varmistaakseen, että Chelsea voitti ottelun 2<unk>1.