Den 23-åriga spanjoren spelade 34 gånger för Blues efter att ha gått med i klubben från Barcelona 2011.
Romeu har tillbringat de senaste två säsongerna på lån, på tyska klubben Stuttgart och i Valencia i sitt hemland.
Han var på bänken för Chelsea 2012 Champions League final seger över Bayern München men missade på 2012 FA Cup och 2013 Europa League segrar.
Saints verkställande direktör för fotboll Les Reed sade Romeu hade varit "på radarn för en tid" och "matchar Southampton profil" av att vara "ung, hungrig och utvecklad på en toppakademi".
"Som Ryan Bertrand, vi tror att vi har rekryterat en annan Chelsea spelare med en utmärkt stamtavla men också med massor av potential att utvecklas," sade Reed.
Romeu sa: "Efter att ha tillbringat två år på lån behövde jag något permanent och en klubb med en framtid - och jag tror att jag valde rätt."
Hitta alla de senaste fotbollsöverföringarna på vår dedikerade sida.
Southampton har undertecknat Chelsea Midfielder Oriol Romeu för 5 miljoner pund på ett treårigt kontrakt.