Ngày 22 tháng 6 năm 2011, André Villas-Boas được bổ nhiệm làm huấn luyện viên mới của Chelsea với bản hợp đồng ba năm có hiệu lực ngay lập tức.[83][84] Ngày 14 tháng 8, Chelsea hòa 0–0 trong trận đấu đầu tiên của mùa giải Premier League 2011–12 trong chuyến làm khách tới Stoke City. Villas-Boas giành chiến thắng đầu tiên dưới cương vị huấn luyện viên trưởng Chelsea một tuần sau đó khi Blues đánh bại West Bromwich Albion 2–1. Ngày 22 tháng 8, Chelsea và Valencia đồng ý các điều khoản về việc chuyển nhượng tiền vệ chạy cánh quốc tế người Tây Ban Nha Juan Mata, với giá £23.5 triệu.[85] Một tuần sau đó, một cầu thủ mới khác được ký hợp đồng là tiền vệ người Mexico Ulises Dávila, với bản hợp đồng năm năm.[86] Trong ngày cuối cùng của kỳ chuyển nhượng, Raul Meireles gia nhập Blues từ Liverpool, trong khi đó Yossi Benayoun và Patrick van Aanholt được cho Arsenal và Wigan mượn tới hết mùa giải. Gaël Kakuta cũng gia nhập Bolton theo dạng cho mượn tới 1 tháng 1 năm 2012. Ngày 18 tháng 9, Chelsea đón nhận thất bại đầu tiên của mùa giải, thua 3–1 trước Manchester United tại Old Trafford.

Ngày 29 tháng 11 năm 2011, Chelsea bị loại khỏi League Cup ở vòng tứ kết bởi Liverpool, sau trận thua 2–0 tại Stamford Bridge. Trận thua thứ ba của Chelsea trong bốn trận đấu. Bốn ngày sau, Villas-Boas xác nhận việc Nicolas Anelka và Alex sẽ rời đi, cả hai đều được trao bản đề nghị chuyển nhượng. Thông báo được đưa ra sau trận đấu sân khách gặp Newcastle nơi Chelsea thắng 3–0, đưa họ trở lại với vị trí giành quyền tham dự Champions League. Ngày 6 tháng 12, Chelsea thắng trận đấu cuối cùng của vòng bảng Champions League với chiến thắng 3–0 trước Valencia, qua đó giành quyền vào vòng đấu loại trực tiếp. Racing Genk hòa 1–1 trong trận gặp Bayer Leverkusen điều đó có nghĩa Chelsea đứng đầu bảng E. Ngày 12 tháng 12, Chelsea khiến cho đội đứng đầu bảng xếp hạng Manchester City có trận thua đầu tiên của mùa giải, đến sau trận đấu nảy lửa nhờ bàn thắng của Raul Meireles và pha phạt đền muộn của Frank Lampard để lội ngược dòng dành chiến thắng. Ngày 21 tháng 2 năm 2012, Napoli đánh bại Chelsea 3–1 trong trận đấu lượt đi vòng 16 đội.[87]