Morata tekende in juli 2017 een contract tot medio 2022 bij Chelsea, de kampioen van de Premier League in het voorgaande seizoen. Dat betaalde in eerste instantie circa €64.600.000,- voor hem aan Real Madrid. Dat maakte hem de duurste aankoop in de geschiedenis van de Engelse club. Die gaf Madrid daarnaast tot circa €13.400.000,- extra in het vooruitzicht aan eventuele bonussen. Zijn debuut voor die club maakte hij op 6 augustus 2017 door in de wedstrijd om het FA Community Shield 2017 in minuut 74 in te vallen voor Michy Batshuayi. De wedstrijd tegen stadsgenoot Arsenal werd verloren na een strafschoppenserie, Morata miste zijn penalty. Zijn debuut in de Premier League maakte hij zes dagen later, tegen Burnley. Dat deed de Spanjaard door opnieuw Batshuayi te vervangen. Hij kwam in het veld bij een 3-0 achterstand. Het eerste doelpunt van Morata voor Chelsea hielp de Londenaren niet aan een punt. Tegen Tottenham Hotspur maakte Morata zijn basisdebuut voor 'The Blues'. Dankzij twee goals van zijn landgenoot Marcos Alonso deed hij dat in een winstpartij. Morata maakte een hattrick tegen Stoke City. Dit was tevens zijn eerste wedstrijd voor Chelsea die hij van begin tot einde speelde. Vier dagen later maakte hij zijn Europese debuut voor Chelsea, in een wedstrijd tegen Atlético Madrid. Chelsea won met 2-1, Morata maakte zijn eerste Europese doelpunt voor Chelsea. Chelsea won dat seizoen de FA Cup door in de finale Manchester United met 1-0 te verslaan.