Brasilien internationella, som hade två år kvar på sin nuvarande affär, gjorde 13 mål i 59 matcher för Blues förra säsongen.
Willian, 27, gick med från ryska sidan Anzhi Makhachkala för en rapporterad £ 30m 2013.
"Det är en dröm att fortsätta med denna klubb och under de kommande fyra åren kommer jag att försöka hjälpa laget att vinna fler troféer", sade han.
Willian, som har gjort 19 mål i 140 matcher för Chelsea, utsågs till årets spelare förra säsongen när klubben slutade 10: e i Premier League.
Han har vunnit 30 caps för Brasilien sedan han gjorde sin debut 2011, poäng sex mål.
Förra veckan undertecknade Chelsea Belgiens anfallare Michy Batshuayi från Marseille för en avgift som tros vara värd 33 miljoner pund, deras första fångst under ny chef Antonio Conte.
Chelsea Midfielder Willian har tecknat ett nytt fyraårigt kontrakt med klubben.