Ngày 4 tháng 3, sau trận thua 1–0 trước West Brom, André Villas-Boas bị sa thải khỏi cương vị huấn luyện viên Chelsea chỉ sau chín tháng cầm quyền; tỉ lệ thắng của ông là dưới 50%, điều chưa từng xảy ra với các huấn luyện viên của Chelsea dưới thời Abramovich. Vào thời điểm ông bị sa thải, đội bóng xếp thứ năm tại giải quốc gia và có nguy cơ bị loại khỏi Champions League sau trận thua 3–1 trên sân khách trước Napoli; rất nhiều cổ động viên ủng hộ quyết định này, với câu hát "Roman Abramovich, he sacks who he wants (Roman Abramovich, ông ấy sai thải người ông ấy muốn)" được hát lên trong trận đấu đầu tiên ông bị sa thải. Thông cáo của câu lạc bộ đưa ra kết luận rằng "không đủ tốt và không cho thấy dấu hiệu cải thiện vào thời điểm then chốt của mùa giải".[88] Trợ lý huấn luyện viên đội một người Ý (và là cựu cầu thủ Chelsea) Roberto Di Matteo được bổ nhiệm là huấn luyện viên tạm quyền cho tới hết mùa giải. Trong trận đấu đầu tiên ông dẫn dắt, Chelsea đánh bại Birmingham City 2–0 để vào tứ kết FA Cup nhờ những bàn thắng ở hiệp hai của Juan Mata và Raul Meireles.[89] Hai tuần sau, ngày 14 tháng 3, Chelsea đánh bại Napoli 4–1 trong trận lượt về vòng 1/16 Champions League, đảo ngược tỉ số 3–1 từ trận lượt đi.[90] Do thất bại của Arsenal, Manchester United và Manchester City, chỉ còn Chelsea là đội bóng duy nhất của nước Anh tại châu Âu. Phong độ tốt dưới thời Di Matteo tiếp tục vào ngày 18 tháng 3 khi Chelsea tiếp tục hành trình tiến vào chung kết FA Cup sau khi đánh bại Leicester City 5–2 tại Stamford Bridge; trận đấu cũng là dấu mốc đặc biệt đối với Fernando Torres khi chấm dứt chuỗi 24 trận không ghi bàn.

Ngày 4 tháng 4, Chelsea lọt trận bán kết Champions League lần thứ sáu trong chín mùa giải gần nhất, khi đánh bại Benfica 3–1 sau hai lượt trận. Nơi họ đối đầu với đương kim vô địch Barcelona, là lần thứ sáu hai đội được bốc thăm gặp nhau tại giải đấu, và là lần thứ năm trong tám năm. Ngày 15 tháng tư, Chelsea có bán kết FA Cup thứ ba trong bốn mùa bằng việc đè bẹp đối thủ Tottenham 5–1 tại Wembley; Didier Drogba ghi bàn thắng đầu tiên để nới rộng kỷ lục đáng kinh ngạc của anh khi ghi bàn ở mọi trận đấu anh thi đấu tại đây (bảy lần vào thời điểm đó). Ba ngày sau, Chelsea đối mặt Barcelona tại Stamford Bridge trong một trận đấu lép vế nặng nề. Mặc dù Barcelona chiếm quyền kiểm soát bóng và có nhiều cơ hội tuyệt vời, Chelsea giành chiến thắng 1–0 để có được lợi thế. Trong trận đấu lượt về một tuần sau đó tại Camp Nou, Chelsea dường như bị loại khi bị dẫn 2–0 còn đội trưởng John Terry bị đuổi khỏi sân chỉ trong 45 phút đầu tiên. Tuy nhiên, trước khi hiệp một kết thúc pha lốp bóng của Ramires đưa Chelsea vươn lên vị trí thắng, đầu hiệp hai Lionel Messi trượt một quả phạt đền. Trong những khoảnh khắc hồi hộp nhất, Fernando Torres ghi bàn để giành một suất tại trận chung kết, giúp Chelsea có một chiến thắng 3-2 sau hai lượt trận "thật sự đáng chú ý".[91]

Mặc dù thi đấu tốt tại các giải cúp, phong độ của Chelsea ở những trận còn lại tại Premier League khá bình thường, với những trận hòa với Tottenham và Arsenal và trận tha trên sân nhà trước Newcastle khiến Chelsea không còn cơ hội lọt vào top 4 tại giải quốc gia. Điều đó có nghĩa họ phải vô địch Champions League để giành được quyền thi đấu tại giải đấu mùa giải sau đó. Tại chung kết FA Cup, Chelsea gặp Liverpool. Chelsea là đội thi đấu tốt hơn trong một giờ thi đấu đầu tiên; Ramires đưa đội lên dẫn trước từ sớm, và trong hiệp hai Didier Drogba nâng đôi cách biệt. Mặc dù Liverpool có một pha ghi bàn của Andy Carroll, nhưng không đủ để cản Chelsea lần thứ 7 đăng quang tại FA Cup, ngoài ra cũng nhờ công lớn từ thủ môn Petr Čech, người có pha cứu thua của mùa giải chặn Andy Carroll gỡ hòa; đó là lần thứ tư Chelsea vô địch trong sáu mùa giải[92] và trở thành câu lạc bộ có thành tích tốt nhất tại giải đấu kể từ sau Wanderers giành được năm chức vô địch trong bảy năm ở thế kỷ 19.

Tại trận chung kết UEFA Champions League, đối thủ của Chelsea là Bayern Munich. Do sự trùng hợp, trận đấu được diễn ra trên sân Allianz Arena, sân nhà của Bayern. Bayern vươn lên dẫn trước ở phút 83 nhờ công của Thomas Müller, nhưng chỉ năm phút sau Drogba đánh đầu san bằng tỉ số – đó là bàn thắng thứ chín trong chín trận chung kết cho Chelsea của anh – đưa trận đấu đến với hiệp phụ. Bayern được hưởng một quả phạt đền, nhưng cú sút của Arjen Robben bị cản phá bởi Petr Čech. Trận đấu kết thúc với tỉ số 1–1, khiến hai đội phải đến loạt sút luân lưu. Bayern dẫn trước 3–1 sau khi Juan Mata thực hiện không thành công, nhưng Čech sau đó đã cản phá được cú sút của Ivica Olić và Bastian Schweinsteiger, Drogba là người bước lên chấm đá phạt quyết định và giúp Chelsea giành danh hiệu Champions League lần đầu tiên trong lịch sử.[93] Năm 2013, Liên đoàn thống kê và lịch sử bóng đá thế giới (IFFHS) xếp Chelsea là câu lạc bộ số một thế giới, thay cho Barcelona trên bảng xếp hạng thế giới.[94][95]

Roberto Di Matteo sau đó trở thành huấn luyện viên dài hạn nhưng bị sa thải vào tháng 11 năm 2012 và được thay thế bởi Rafael Benítez,[96] một lựa chọn không được ủng hộ bởi nhiều cổ động viên Chelsea do mối quan hệ giữa Benitez và Liverpool cũng như những bình luận dành cho câu lạc bộ ngày trước,[97] ông đã nhận được "sự tiếp đón thù hằn ghê gớm" khi có trận đấu đầu tiên trên sân nhà, trận hòa 0–0 với Manchester City ngày 25 tháng 11 năm 2012.[98][99] Nhiệm kỳ của Benítez chứng kiến những kết quả lẫn lộn; Chelsea để thua trận chung kết Club World Cup trước Corinthians và bị đánh bại ở tứ kết League Cup bởi Swansea City. Họ kết thúc ở vị trí thứ ba tại Premier League, giành quyền tham dự Champions League, và vô địch UEFA Europa League. Với những gì làm được Chelsea trở thành câu lạc bộ đầu tiên trong lịch sử giữ cả hai chức vô địch lớn của châu Âu trong cùng một thời gian và trở thành một trong bốn đội, và là câu lạc bộ duy nhất của Anh giành cả ba danh hiệu lớn của UEFA cấp câu lạc bộ.[100]