W 1998 roku Desailly, już jako zdobywca Mistrzostwa Świata, został zakupiony za 4,6 mln funtów przez Chelsea F.C., trenowanej przez Ruuda Gullita. Piłkarz szybko zaadaptował się do warunków gry w Premier League. W drużynie Chelsea grał na środku obrony lub na pozycji defensywnego pomocnika. W swoim pierwszym sezonie zajął z klubem 3. miejsce w Premier League. W sezonie 1999/2000 występował w meczach Ligi Mistrzów i zdobył z drużyną Puchar Anglii. Po odejściu Dennisa Wise’a Desailly został kapitanem Chelsea. W 2003 roku zdobył w meczu ligowym z Liverpool decydującą o zajęciu 4. miejsca bramkę, która otworzyła Chelsea drogę do Ligi Mistrzów. W 2004 roku doszedł wraz z drużyną do półfinału, w którym, w pierwszym meczu z AS Monaco został wyrzucony z boiska. Desailly szykował się do odejścia z drużyny Romana Abramowicza i José Mourinho, jednak zostawił godnego następcę, Johna Terry’ego. W 2004 roku przeniósł się do Kataru, gdzie kończył swoją piłkarską karierę. Tam grał w zespole Al-Gharafa, gdzie był nawet najlepszym strzelcem. 2005 rok spędził w Qatar Sports Club, który był jego ostatnim klubem w karierze.
7 maja 2006 roku ogłosił zakończenie kariery piłkarskiej.