Le champion olympique écossais a ainsi perdu au troisième tour, devant un rival qu'il avait battu sans problèmes lors des quatre premières confrontations.
Le jeu régulier de Chardy l'a mené à la victoire; Murray, à l'opposé, a souvent manqué de précision sur ses frappes.
«J'avais un peu de difficulté avec la hauteur qu'avait les balles en bondissant, a confié Murray. C'était assez dur à contrôler.»
Roger Federer, Mardy Fish et Juan Martin del Potro ont aussi atteint les quarts de finale, jeudi.
Serena Williams a remporté un 19e match de suite; sa dernière victime est Urszula Radwanska, battue 6-4, 6-3. L'Américaine et championne olympique n'a pas échappé de set depuis sa victoire en finale de Wimbledon, le 7 juillet. Sa soeur Venus a pour sa part vaincu Sara Errani 6-3, 6-0.
Murray se déplaçait bien pendant sa victoire contre Sam Querrey, mercredi, mais n'a jamais trouvé son rythme jeudi. Il se dirige vers New York en préparation pour les Internationaux américains, s'amorçant le 27 août, mais n'a disputé que trois matches sur une surface dure depuis Wimbledon.
«C'est arrivé que je remporte des tournois qui mènent à ceux du Grand chelem et que ça ne m'aide pas vraiment, a dit Murray. Habituellement, ça n'a pas tant d'importance que ça, mais c'est sûr que j'aurais voulu faire un peu mieux cette semaine.»
Federer a eu raison de Bernard Tomic 6-2 et 6-4 tandis que Fish a battu Radek Stepanek 6-3 et 6-3, battant ce dernier pour la première fois en cinq matches.
L'Américain continue de bien faire après avoir été opéré pour corriger une condition cardiaque, en mai.
«Je me sens plus fort, dit Fish. L'été se passe bien en termes de reprendre la forme.»
L'Argentin del Potro a défait Viktor Troicki 7-6 (2), 2-6 et 6-1, portant sa fiche face au Serbe à 6-0.
La favorite Agnieszka Radwanska a battu Sloane Stephens 6-1, 4-6 et 6-4. Elle en sera à sa première présence en quarts de finale à Cincinnati. L'Allemande Angelique Kerber a aussi avancé au tableau, battant Andrea Hlavackova 6-4 et 7-6 (5).