En juillet 2004, il rejoint le club de Chelsea, propriété du milliardaire russe Roman Abramovitch, pour un transfert évalué à 38 millions d'euros, malgré ses réticences personnelles et surtout celles du public marseillais, qui ne veut pas le laisser partir, à la différence du président de l'OM de l'époque, Christophe Bouchet.
Lors de la saison 2004-2005, il remporte avec Chelsea le titre de champion d'Angleterre ainsi que la Coupe de la Ligue sous les ordres de José Mourinho avec lequel il est très lié et qu'il considère comme son mentor. Au début de la saison 2005-2006, Didier Drogba offre à son club le Community Shield grâce à un doublé face à Arsenal. À la fin de cette saison, il remporte à nouveau le titre de champion d'Angleterre pour la deuxième année consécutive, détenant même un record de buts avec 31 réalisations sur l'ensemble de la saison.
Lors de la saison 2006-2007, il remporte avec Chelsea la Coupe de la Ligue anglaise et la FA cup, et finit meilleur buteur de la Premier League avec 20 réalisations.
Au cours de la saison 2007-2008, Drogba réussit un doublé en demi-finale de la Ligue des Champions face à Liverpool FC, ce qui qualifie Chelsea pour la finale qui l'oppose à Manchester United. Chelsea perd la finale lors des tirs aux buts.
Le mercredi 6 mai 2009, alors que le match de demi-finale retour de la Ligue des Champions voit le FC Barcelone vainqueur (1-1) grâce a un but d'Iniesta à la 93e minute, Didier Drogba prend à partie l'arbitre norvégien Tom Henning Øvrebø suite à ce qu'il considère comme des penalties non sifflés, en hurlant devant les caméras de télévisions à la fin du match : "It's a disgrace,... It's a fucking disgrace!" ("C'est une honte,... C'est une putain de honte"). Ce comportement lui coûtera une suspension de 4 matchs en Ligue des Champions 2009-2010.
Malgré cela, la reprise de la saison 2009/2010, se fait sur d'excellentes bases. Il marque notamment un doublé lors de sa réapparition sous le maillot de Chelsea en Ligue des