Влітку 1999 року за правилом Босмана перейшов в англійський «Челсі». Більшість свого першого сезону в клубі Маріо не грав за першу команду через травми. Однак 22 квітня 2000 року, після травми Альберта Феррера, Мельхіот, нарешті, дебютував за «пенсіонерів» у матчі проти «Міддлсбро» (1:1). Через місяць він зіграв у фіналі Кубка Англії проти «Астон Вілли», де він допоміг «Челсі» виграти матч і здобув черговий трофей в своїй кар'єрі. У серпні 2000 року виграв з командою і Суперкубок Англії, провівши на полі увесь матч і забивши один з голів у ворота «Манчестер Юнайтед», а з приходом у вересні нового тренера Клаудіо Раньєрі, Мельхіот на кілька сезонів став основним правим захисником клубу, поки 2003 року лондонці не придбали Глена Джонсона, після чого голландець знову став резервним гравцем і інколи став виходити в центрі захисту. Втім і там гравець втратив можливість виступати, коли 2004 року був придбаний португальський захисник Паулу Феррейра, який остаточно закрив Мельхіоту шлях до першої команди.