Di Matteo (trái) được HLV Guud Gullit tuyển mộ về Chelsea năm 1996 từ Lazio. Cùng đồng hương Gianfranco Zola đến từ Roma, họ hợp thành bộ đôi ăn ý, làm nòng cốt giúp Chelsea gặt hái vinh quang.
Ngày 17/5/1997, Di Matteo đi vào lịch sử với bàn thắng nhanh nhất trong lịch sử Cup FA, tính đến thời điểm đó, khi mở tỷ số ngay giây thứ 42 trận chung kết mà Chelsea thắng Boro 2-0 trên sân Wembley.
Ba năm sau, vẫn tại Wembley, trong trận chung kết, Di Matteo một lần nữa chói sáng, ghi bàn duy nhất giúp Chelsea đánh bại Aston Villa để đoạt thêm một chiếc Cup FA nữa.
Tháng 6/2011, chín năm sau chia tay Chelsea trong vai trò cầu thủ, Di Matteo trở lại, làm cánh tay cho Andre-Villas-Boas.
Ngày 4/3/2012, sau khi Chelsea sa thải Villas-Boas, Di Matteo được đôn lên làm HLV tạm quyền theo hợp đồng ngắn hạn đến cuối mùa. Ông ra mắt trên cương vị mới trong trận đá lại vòng bốn Cup FA với chủ nhà Birmingham City và cùng Chelsea thắng trận 2-0.
Từ một tập thể rệu rã, mất đoàn kết dưới thời Villas-Boas, Chelsea nhanh chóng trở thành một khối thống nhất dưới trướng Di Matteo. Thầy trò ông hạnh phúc nghẹn ngào khi Chelsea đánh bại Napoli 4-1 ở lượt về vòng 16 đội Champions League để đảo ngược tình thế, giành vé đi tiếp dù thua 1-3 trên đất Italy lúc Villas-Boas còn tại vị.
Thành công nối tiếp thành công, Chelsea vượt qua Benfica ở tứ kết để vào bán kết Champions League gặp ĐKVĐ Barca của Pep Guardiola, người đồng nghiệp được đánh giá cao hơn Di Matteo bội phần. Trong trận lượt đi tại Stamford Bridge, Chelsea dưới trướng HLV người Italy gây sốc khi thắng 1-0 nhờ bàn duy nhất của Didier Drogba.
Trong trận bán kết lượt về tại Nou Camp, dù Barca ghi hai bàn trong hiệp một, Chelsea vẫn ngược dòng, gỡ hòa 2-2 với bàn ấn định tỷ số của Torres ở phút 90’+3.
Chelsea của Di Matteo nhờ đó thắng chung cuộc 3-2 và biến Barca của Guardiola thành cựu vương, giành vé vào đá chung kết Champions League lần thứ hai trong lịch sử.
Trên sân Wembley, ngày 5/5/2012, Di Matteo đoạt chiếc Cup FA thứ ba trong đời, lần này với tư cách HLV, khi Chelsea đánh bại Liverpool 2-1 trong trận chung kết.
Trong trận chung trên sân Allianz Arena, thầy trò Di Matteo xuất sắc cầm hòa chủ nhà Bayern 1-1 trong 90 phút chính thức, đứng vững trước sức ép khủng khiếp của đối thủ trong hai hiệp phụ, trước khi thắng 4-3 trong loạt đá luân lưu.
Chelsea lần đầu tiên lên đỉnh vinh quang ở Champions League. Di Matteo khi ấy mặc nhiên được coi như người hùng.
Thành công bất ngờ của Di Matteo đặt Chelsea vào thế khó xử vì ông chủ Abramovich chỉ muốn HLV người Italy làm tạm quyền tới hết mùa rồi nhường chỗ cho một HLV danh tiếng hơn. Tỷ phú Nga đã nhắm tới Pep Guardiola cho vị trí ấy. Tuy nhiên, sự ủng hộ dành cho Di Matteo mà toàn thể đội bóng thể hiện trước và trong buổi lễ diễu hành mừng công đã làm Abramovich thay đổi quan điểm. Di Matteo được ký hợp đồng hai năm.
Với những sự bổ sung chất lượng như Hazard, Oscar, Di Matteo chiều ý ông chủ Abramovich, cố gắng biến Chelsea thành một đội bóng chơi tấn công đẹp mắt. Giai đoạn đầu mùa giải rất suôn sẻ khi Chelsea bất bại, dẫn đầu giải Ngoại hạng suốt tám vòng. Mọi chuyện chỉ xấu đi từ vòng 9, khi Chelsea thua MU 2-3 tức tưởi vì những tiếng còi méo của trọng tài Mark Clattenburg. Cả ba vòng tiếp theo, thầy trò Di Matteo bất khả chiến thắng, tụt xuống thứ ba, kém đầu bảng Man City tới bốn điểm.
Mạch kết quả nghèo nàn đó khiến Chelsea và Di Matteo chịu sức ép khủng khiếp khi sang Italy, làm khách trên sân Juventus. Nếu thua, Chelsea sẽ bị đẩy vào thế hiểm nghèo và có thể trở thành nhà ĐKVĐ Champions League đầu tiên trong lịch sử không thể vượt qua vòng bảng ở mùa tiếp theo.
Sức ép khủng khiếp đó cộng thêm việc Juventus chơi xuất sắc khiến Chelsea thảm bại 0-3.
Di Matteo, sau trận, tuyên bố nhận mọi trách nhiệm. Thông báo từ chức của ông được Chelsea đăng trên trang web của CLB ngay đầu buổi sáng hôm sau. Tuy nhiên, đó chỉ là cách để Chelsea giữ thể diện cho nhà cầm quân từng có công đưa họ tới thành công bất ngờ mùa trước. Giới chuyên môn cho rằng Abramovich đã xuống tay, khép lại triều đại của HLV người Italy. Di Matteo trở thành HLV thứ 8 rời Chelsea kể từ khi Abramovich mua lại CLB này năm 2003.