Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
22-åringen är ny chef Antonio Contes första signering på Stamford Bridge.
Avgiften avslöjades inte av Chelsea men tros vara 33 miljoner pund (40 miljoner euro).
Den framåt, som gjorde 23 mål för Marseille förra säsongen, gjorde i Belgiens sista-16 seger över Ungern på Euro 2016 och också kom på i deras kvartsfinal utgång till Wales.
"Jag är glad att underteckna för en av de största klubbarna i Europa," sade Batshuayi.
"[Mitt Belgien lag-kamrater] Eden Hazard och Thibaut Courtois har berättat många bra saker om klubben, och med Antonio Conte kommer in, det är en spännande tid att bli en Chelsea spelare."
Batshuayi undertecknade för Marseille från Standard Liege 2014 och gjorde sin internationella debut i mars 2015 i en 5-0 Euro 2016 kvalificerande seger mot Cypern.
Mot Ungern, gjorde han med sin första touch efter att ha kommit på som en substitut, konvertera ett kors från sin nya klubb lag-kamrat Eden Hazard.
Chelsea har undertecknat ett femårigt kontrakt med den belgiske strejkaren Michy Batshuayi från Marseille.