Ngày 28 tháng 4 năm 2012, Marin đã đạt được thỏa thuận với câu lạc bộ Chelsea. Giá trị của thương vụ được tiết lộ vào khoảng 5,5 – 6,5 triệu Bảng Anh. Anh chính thức thức gia nhập the Blues khi kì chuyển nhượng mùa hè mở cửa ngày 1 tháng 7 với bản hợp đồng có thời hạn 5 năm. Marko Marin khoác áo 21, số áo cũ của Salomon Kalou. Ngày 18 tháng 7, anh có trận đấu đầu tiên cho Chelsea trong trận đấu giao hữu trước mùa giải với Seattle Sounders FC, ghi bàn thắng thứ ba trong chiến thắng 4–2. Anh không thể tham dự trận Community Shield 2012 vì lý do chấn thương.