Hemsidan gick in på halvtid ett mål till det goda efter Bradley Dack på väg hem en Paul Konchesky kors.
Charltons Ricky Holmes såg en andra hälftens straff räddas av Stuart Nelson, som hade ersatt den skadade Jonathan Bond på halvtimmen märket, men Gills proppen kunde inte göra något åt Ajose s spot-kick en minut i tiden lagt på.
Dack såg Charlton målvakt Declan Rudd ras ut för att blockera en 25-minuters skott innan han loopade en rubrik hem för öppningsmålet fem minuter före halvtid.
Charlton var mycket bättre efter pausen men kunde inte hitta en väg förbi Nelson, som tipsade en Josh Magennis huvudet över innan förneka Holmes från 12 meter efter Ryan Jackson hade dragit ner Fredrik Ulvestad.
Men i skadetid Gillinghams Chris Herd hanterade i området och halvtid substitut Ajose steg upp för att skjuta bollen i nedre högra hörnet.
Rapport från pressorganisationen
Matchen slutar, Gillingham 1, Charlton Athletic 1.
Andra halvlek, Gillingham 1, Charlton Athletic 1.
Försök blockerat. Cody McDonald (Gillingham) höger fotade skott från mitten av lådan är blockerad.
Ezri Konsa Ngoyo (Charlton Athletic) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Ezri Konsa Ngoyo (Charlton Athletic).
Cody McDonald (Gillingham) vinner en frispark i anfallshalvan.
Chris Solly (Charlton Athletic) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Chris Solly (Charlton Athletic).
Paul Konchesky (Gillingham) vinner en frispark på högerkanten.
Frank Nouble (Gillingham) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Nicky Ajose (Charlton Athletic).
Foul av Jake Hessenthaler (Gillingham).
Fredrik Ulvestad (Charlton Athletic) vinner en frispark i defensiven.
Mål!  Gillingham 1, Charlton Athletic 1. Nicky Ajose (Charlton Athletic) konverterar straffet med en höger fotad skott till nedre högra hörnet.
Stuart Nelson (Gillingham) visas det gula kortet.
Straff medgavs av Chris Herd (Gillingham) med en handboll i straffområdet.
Frank Nouble (Gillingham) visas det gula kortet.
Ezri Konsa Ngoyo (Charlton Athletic) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Billy Knott (Gillingham).
Försening över. De är redo att fortsätta.
Substitution, Gillingham. Emmanuel Osadebe ersätter Ryan Jackson på grund av en skada.
Försök missade. Andrew Crofts (Charlton Athletic) höger fotade skott från utsidan lådan är nära, men missar till vänster.
Försöket räddades. Lee Novak (Charlton Athletic) höger fotade skott från en svår vinkel till vänster sparas i mitten av målet.
Försök missade. Frank Nouble (Gillingham) höger fotade skott från utsidan lådan är nära, men missar till vänster.
Ersättning, Charlton Athletic. Lee Novak ersätter Josh Magennis.
Försök missade. Bradley Dack (Gillingham) vänster fotade skott från mitten av lådan är nära, men missar till höger.
Hörnet, Charlton Athletic. Förföljd av Paul Konchesky.
Foul av Max Ehmer (Gillingham).
Ricky Holmes (Charlton Athletic) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Chris Herd (Gillingham).
Jason Pearce (Charlton Athletic) vinner en frispark i anfallshalvan.
Paul Konchesky (Gillingham) vinner en frispark i anfallshalvan.
Foul av Fredrik Ulvestad (Charlton Athletic).
Hörnet, Charlton Athletic. Förföljd av Max Ehmer.
Försök blockerat. Ademola Lookman (Charlton Athletic) höger fotade skott utanför lådan är blockerad.
Bradley Dack (Gillingham) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Foul av Ricky Holmes (Charlton Athletic).
Foul av Fredrik Ulvestad (Charlton Athletic).
Chris Herd (Gillingham) vinner en frispark i anfallshalvan.
Hörnet, Charlton Athletic. Förföljd av Stuart Nelson.
Nicky Ajoses sista straff såg Charlton komma bakifrån för att rädda en dragning på Gillingham.