W sierpniu 2007 roku podpisał trzyletni kontrakt z Chelsea. Media sugerowały, że kwota transferu to 13,5 mln funtów. W nowym zespole zadebiutował 5 sierpnia w przegranym meczu z Manchesterem United o Tarczę Wspólnoty, w którym strzelił swojego pierwszego gola. Po raz pierwszy w Premier League wystąpił 12 sierpnia w spotkaniu z Birmingham City, w którym również zdobył bramkę.
Wraz z Chelsea raz został mistrzem Anglii (2010), trzy razy wywalczył puchar kraju (2009, 2010, 2012) oraz raz sięgnął po Tarczę Wspólnoty (2009). Ponadto w sezonie 2007/2008 dotarł z londyńskim klubem do finału Ligi Mistrzów, w którym Chelsea przegrała po serii rzutów karnych z Manchesterem United, a on wystąpił w podstawowym składzie i w 92 minucie został zmieniony przez Salomona Kalou. Cztery lata później (2012) wraz ze swoim zespołem wygrał Ligę Mistrzów – w finałowym meczu z Bayernem Monachium (1:1, k. 4:3) zastąpił w drugiej połowie Ryana Bertranda.
W czerwcu 2013 roku po przyjściu José Mourinho Chelsea – podobnie jak w przypadku trzech innych graczy (Ferreira, Turnbull i Benayoun) – nie przedłużyła z nim kontraktu, wskutek czego Malouda był wolnym zawodnikiem.