W Premier League po raz pierwszy zagrał 15 sierpnia 2016 w wygranym 2:1 spotkaniu z West Hamem, wchodząc na boisko w zamian za Oscara w 85. minucie. W sezonie 2016/2017 wraz z klubem świętował zdobycie mistrzostwa kraju. Chelsea zapewniła sobie tytuł, pokonując na wyjeździe 1:0 West Bromwich Albion, zaś decydującą o mistrzostwie bramkę zdobył Batshuayi.
31 stycznia 2018 został wypożyczony za 1,5 miliona euro do 30 czerwca 2018 do niemieckiej Borussii Dortmund. W swoim debiucie w Bundeslidze przeciwko 1. FC Köln zdobył dwa gole. Mecz ten został rozegrany 2 lutego 2018 i zakończył się wynikiem 3:2 dla klubu z Dortmundu.
W sezonie 2018/2019 był dwukrotnie wypożyczany: pierwszą połowę sezonu spędził w Valencii, zaś drugą w Crystal Palace.
Od sezonu 2019/2020, po przejęciu drużyny przez Franka Lamparda ponownie reprezentuje barwy Chelsea. 23 października zdobył zwycięską bramkę w wygranym 1:0 meczu Ligi Mistrzów UEFA z Ajaksem.
17 sierpnia 2026 roku trafił na zasadzie wolnego transferu do Abha Club.