Pada tanggal 4 Januari 2013, Ba bergabung dengan Chelsea untuk biaya yang tidak diungkapkan. Ba menandatangani kontrak tiga setengah tahun, menjadi yang pertama pemain Senegal bergabung dengan klub itu. Ia menerima nomor punggung 29. Ba melakukan debut melawan Southampton di putaran ketiga Piala FA pada tanggal 5 Januari. Dia menandai penampilan pertamanya untuk klub dengan mencetak dua gol dalam kemenangan 5-1 untuk Chelsea.