A spanyol válogatott csatár 2014 nyarán csatlakozott a Chelsea-hez, a londoni klub 40 millió eurót adott érte. Az ott eltöltött három szezonjában összesen 52 gólt szerzett az angol Premier League-ben.
Kapcsolata az olasz menedzserrel, Antonio Contéval 2017 januárjában romlott meg, amikor a csatárt Kínából kezdték el csalogatni, de maradt, és angol bajnok lett a londoniakkal. Diego Costa összesen 20-szor vette be az ellenfelek kapuját a 2016–2017-es szezonban. Conte viszont az idény végén egy SMS-üzenetben tudatta a játékosával, hogy nem szerepel a tervei között a következő évadra.
„Ez nagyon rossz pillanat volt, de nem az én hibám volt. Az idő mindent és mindenkit a helyére tesz, nézzétek meg, hol van most Conte” – mondta a Marcának a 29 éves támadó utalva arra, hogy júliusban elküldték az olasz edzőt a Chelsea kispadjáról.
„Amikor Londonban azt mondták, hogy az utánpótlás-játékosokkal kellene edzenem, onnantól teljesen tisztává volt számomra, hogy vissza kell térnem az Atlético Madridhoz, habár más csapatok is érdeklődtek irántam.”