1996年7月拉齐奥主席克拉尼奥蒂决定调整球队阵容，面对切尔西开出的高额转会费，不顾主帅泽曼的极力反对将其出售，680万美元的转会费创造了那时切尔西俱乐部转会费之最。转会切尔西之后，迪马特奥的表现出色，以其优秀的传球和远射迅速征服了切尔西球迷。尤其是1997年的足总杯决赛，迪马特奥在开场仅43秒的时候就远射打入经典一球，这粒还是旧温布利大球场最快的入球，而时任切尔西队主教练古利特也成为第一个取得足总杯的外籍主教练。他在切尔西效力的五个赛季当中，迪马特奥为切尔西队出场155场打进26球，为切尔西队夺得2次足总杯冠军、1次联赛杯冠军、1次社区盾杯冠军、1次欧洲优胜者杯冠军和1次欧洲超级杯冠军。此外，他还代表意大利队参加了34场国际比赛。
     2000年9月，切尔西在当时联盟杯中遭遇瑞士鱼腩球队圣加伦俱乐部，在和对手丹尼尔·伊莫霍夫一次冲撞中，迪马特奥重伤下场。左小腿包括胫骨、腓骨的三处骨折，神经、软组织严重受损。在坚持了18个月以后，迪马特奥最终选择了放弃，在2002年2月正式宣布退役。切尔西经营主管哈钦森对这位意大利球星大为赞扬。哈钦森在俱乐部的官方网站上说∶“这个消息真是糟透了，我们为迪马特奥感到难过……他经受了好几次痛苦的手术，仍坚持在训练场上打拼，可伤痛还是残酷地将他击倒。他将在切尔西的历史上永远留名。”

    2012年，他正式成为切尔西主教练。迪马特奥上任后的第一个挑战就是欧冠淘汰赛，切尔西在首回合已经1-3落败于那不勒斯，第二回合背水一战。但切尔西在迪马特奥的指挥下表现出色，在斯坦福桥球场通过120分钟的大战以4-1击败那不勒斯，成功翻盘进入欧冠八强。迪马特奥凭借此战一举奠定了自己的地位。随后切尔西在足总杯和欧冠中双线出击，在联赛中则较为被动。切尔西在欧冠四分之一决赛中顺利击败了本菲卡队之后，终于又一次在半决赛中遭遇了仇敌巴塞罗那。迪马特奥在比赛中坚决执行防守反击的战术，令强大的巴塞罗那一筹莫展。首回合依靠德罗巴的进球1-0击败巴塞罗那。第二回合，切尔西更是出人意料的在0-2落后巴塞罗那而且队长特里被罚下的情况下连追两球，在诺坎普球场2-2战平巴塞罗那并且以总比分3-2的比分淘汰对手进入欧冠决赛，并以此报了2009年被巴萨淘汰的一箭之仇。

      除了欧冠之外，迪马特奥的切尔西在足总杯上也表现优异，他们在半决赛中5-1击败了托特纳姆热刺；而在2012年5月5日的温布利球场，切尔西2-1险胜利物浦，赢得了足总杯冠军，这是迪马特奥作为主教练所赢得的第一个冠军。但是与此同时，切尔西因为把主要精力放在了欧冠和足总杯上，他们在联赛表现平平，最终仅获得联赛第六名。

     2012年5月20日，切尔西在欧冠决赛中迎战德甲劲旅拜仁慕尼黑。切尔西队缺少了特里、拉米雷斯、梅雷莱斯和伊万诺维奇四名主力，在比赛中相当被动。但是切尔西打得极其顽强，在第88分钟由德罗巴扳平了比分，使得切尔西在120分钟内1-1战平拜仁慕尼黑进入点球大战。在点球大战中，切尔西五罚四中，以4:3取胜，夺得了切尔西历史上第一座欧洲冠军联赛冠军。