Ngày 8/8/2018, ngay sau khi thỏa thuận thành công với Real Madrid phi vụ chuyển nhượng Thibaut Courtois, Chelsea đã chính thức thông báo thủ môn mới là tân binh Kepa Arrizabalaga đến từ CLB Athletic Bilbao.
Thủ môn người Tây Ban Nha đã đặt bút ký vào bản hợp đồng có thời hạn 7 năm tại Stamford Bridge. Phi vụ này được cho là có giá 71 triệu bảng, phá kỷ lục chuyển nhượng của thủ thành Allison từ AS Roma sang chơi tại Liverpool trước đó không lâu (66 triệu bảng).Sau khi cập bến Chelsea, Kepa đã chơi khá tốt trong thời gian đầu nhưng càng về sau phong độ của anh càng tệ hại. Đến đầu mùa giải 2020/2021, Kepa đã phải nhường vị trí thủ môn số 1 của đội chủ sân Stamford Bridge cho Edouard Mendy. Trong 3 năm gắn bó với Chelsea vừa qua, Kepa đã có tổng cộng 109 lần ra sân cho Chelsea trên mọi đấu trường.
Hình ảnh đáng nhớ nhất của Kepa trong màu áo Chelsea là khoảnh khắc anh từ chối rời sân theo yêu cầu thay người của HLV Sarri ở trận chung kết cúp Liên Đoàn Anh năm 2019./.