ในวันที่ 31 มกราคม ปี พ.ศ. 2554 เฟร์นันโด ตอร์เรส ได้ย้ายจากลิเวอร์พูลมาเชลซีด้วยค่าตัวที่สูงที่สุดในอังกฤษ คือ 50 ล้านปอนด์ (ราว 2,458 ล้านบาท) ในเกมแรกของตอร์เรสนั้น ได้ลงสนามเจอกับทีมเก่าของเขา ลิเวอร์พูล ที่สนามสแตมฟอร์ดบริดจ์ ผลการแข่งขันนั้น เชลซีแพ้ลิเวอร์พูล 0-1 ตอร์เรสโดนเพื่อนร่วมทีมเก่าทำฟาวล์บาดเจ็บ และเขาได้ถูกเปลี่ยนตัวออกแล้วส่งผู้เล่นสำรอง ซาลอมง กาลู ลงมาเล่นแทนในนาทีที่ 66

ประตูแรกของตอร์เรสนั้น เป็นเกมที่เชลซีชนะเวสต์แฮมยูไนเต็ด 3-0 ที่ สนามสแตมฟอร์ดบริดจ์ โดยนัดนั้นเชลซีขึ้นนำไปก่อน 1-0 ก่อนที่ตอร์เรสจะถูกเปลี่ยนตัวลงไปแทนดีดีเย ดรอกบา และซัดด้วยเท้าซ้าย บอลเข้าไปตุงตาข่าย ทำให้เชลซีขึ้นนำอีกครั้ง 2-0 และเขาได้รับการยกย่องให้เป็นแมนออฟเดอะแมตช์ในเกมนั้น

ฤดูกาล 2011-12 ได้มีโอกาสลงเล่นยูฟ่าแชมเปียนส์ลีก 2012 รอบแบ่งกลุ่ม เขายิงสองประตู ช่วยให้ทีมชนะเกงค์ไป 5-0 หลังจากการทำประตูในนัดที่พบกับเกงค์นั้น ตอร์เรสก็ยิงประตูคู่แข่งไม่ได้อีกเลย ในทุกรายการ ทำให้เขาถูกตัดชื่อออกจากทีมชาติสเปนชุดแข่งขันฟุตบอลยูโร 2012 และอุ่นเครื่องกับทีมชาติเวเนซุเอลา จนครบหนึ่งปีที่เขาย้ายออกจากถิ่นแอนฟีลด์สู่สแตมฟอร์ดบริดจ์ แต่ถึงแม้เขาจะยิงประตูไม่ได้แต่ก็ช่วยส่งบอลให้เพื่อนยิงประตูได้หลายครั้ง จนในวันที่ 18 มีนาคม พ.ศ. 2555 เชลซีเปิดบ้านรับทีมเลสเตอร์ซิตี เชลซีชนะ 5-2 โดยตอร์เรสสามารถยิงได้ 2 ประตู และส่งให้เพื่อนยิงอีก 2 ลูก สามารถหยุดสถิติยิงประตูคู่แข่งไม่ได้ในรอบ 5 เดือน 1,541 นาทีได้ และยิงอีก 1 ประตูในเกมที่ชนะแอสตันวิลลา 4-2 หลังจากนั้นเดือนเมษายน ในเกมถ้วยยุโรป เชลซีบุกไปเสมอบาร์เซโลนาได้ 2-2 โดยในเกมนั้น ตอร์เรสเป็นผู้ทำประตูปิดท้ายด้วยการรับบอลยาวของแอชลีย์ โคล กลางสนามก่อนหลุดไปดวลกับบิกตอร์ บัลเดส และล็อกหลบผู้รักษาประตูแล้วแปเข้าไปแบบโล่ง ๆ ทำให้เชลซีผ่านเข้ารอบชิงชนะเลิศพบกับบาเยิร์นมิวนิก ด้วยประตูทีมเยือน แม้เขาจะไม่สามารถยิงได้ในนัดชิงชนะเลิศ แต่เชลซีก็สามารถคว้าแชมป์ยูฟ่าแชมป์เปี้ยนส์ลีกได้เป็นสมัยแรกของสโมสรหลังเสมอกับบาเยิร์นมิวนิกในเวลาปกติ 1-1 ก่อนดวลจุดโทษชนะด้วยสกอร์รวม 5-4

การทำแฮตทริกครั้งแรกของตอร์เรสในสีเสื้อเชลซี เกิดขึ้นในเกมที่เชลซีเปิดบ้านถล่มสโมสรฟุตบอลควีนส์พาร์กเรนเจอส์ ไป 6-1 โดยเขาทำประตูได้ในนาทีที่ 19,25,64 ในฤดูกาล 2011-2012 เขายิงประตูได้ 11 ประตู โดยลงสนาม 48 นัดตั้งแต่ย้ายมาเชลซี ยิงรวม 12 ประตู

ก่อนเปิดฤดูกาล 2012-13 เชลซีแข่งขันชิงถ้วยคัมมิวนิตีชีลด์กับแมนเชสเตอร์ซิตี โดยตอร์เรสเป็นผู้ทำประตูให้เชลซีขึ้นนำไปก่อน 1-0 แต่เชลซีแพ้ 2-3 เมื่อพรีเมียร์ลีกอังกฤษ 2012-13 เปิดฤดูกาล ตอร์เรสยิงประตูแรกในฤดูกาลนี้ของตัวเองได้ในเกมที่เชลซีเปิดบ้านเอาชนะเรดดิ้งไปได้ 4-2 และยิงอีกนัดละ 1 ประตูในนัดที่เชลซีชนะนิวคาสเซิล 2-0, ชนะอาร์เซนอล 2-1, ชนะวูล์ฟแฮมตัน 6-0, ชนะนอริชซิตี 4-1 โดยในช่วงที่เขายิงประตูได้นี้ แดเนียล สเตอร์ริดจ์ กองหน้าสำรองของเชลซี มีอาการบาดเจ็บ ทำให้ตอร์เรสไม่ต้องถูกเปลี่ยนตัวออกบ่อยครั้ง และทำ 1 ประตูในเกมที่ชนะชัคตาร์โดเนตสค์ในยูฟ่าแชมเปียนส์ลีก 3-2 ในเดือนธันวาคม เชลซีได้ราฟาเอล เบนีเตซมาคุมทีมแทนดี มัตเตโอ ตอร์เรสเริ่มกลับมาทำประตูให้กับทีมในนัดสุดท้ายของรอบแบ่งกลุ่มยูฟ่าแชมเปียนส์ลีกที่ถล่มโนร์เชลลันด์ 6-1 ตอร์เรสยิง 2 ประตู 3 วันต่อมา เขายิงอีกสองประตูในนัดที่พบกับซันเดอร์แลนด์ สามารถปลดล็อกการยิงประตูไม่ได้ในลีกมาแล้ว 8 เกมได้ ทำอีกนัดละ1ประตูจาชิงแชมป์สโมสรโลกที่ชนะมอนเตร์เรย์ 3-1 แคพิทอลวันคัพกับลีดส์ยูไนเต็ด 5-1 และลีกกับแอสตันวิลลา 8-0 เอฟเอคัพกับเบรนด์ฟอร์ด 2-2 จากนั้นมาอีกหลายสัปดาห์ เขาประสบปัญหาในการยิงประตูคู่แข่งไม่ได้เลย จนปลายเดือนมีนาคม ตอร์เรสก็ยิงประตูได้อีกครั้งในยูโรป้าลีก 1 ประตู (สเตอัวร์บูคาเรสต์, บาเซิล) 3 ประตู (รูบินคาซาน) และ 1 ประตูในนัดชิงชนะเลิศกับไบฟีกา เชลซีคว้าแชมป์ไปครองและยังสามารถยิงประตูในลีกนัดสุดท้ายกับเอฟเวอร์ตัน 2-1 อีกด้วย

ตอร์เรสกลายเป็นนักเตะเชลซีคนแรกที่สามารถยิงประตูได้ถึง 7 รายการในฤดูกาลเดียว คือ พรีเมียร์ลีก, เอฟเอคัพ, ลีกคัพ, คัมมิวนิตีชีลด์, ยูฟ่าแชมป์เปียนส์ลีก, ยูฟ่ายูโรปาลีก และการชิงแชมป์สโมสรโลก