I november 2016 signerte Mjelde for den engelske storklubben Chelsea. Hun hadde ennå ikke vunnet en tittel i sin seniorkarriere, men det skulle det endre seg i Chelsea. I sin første hele sesong ble hun både serie- og FA-cupmester. I mai 2018 ble det klart at Mjelde hadde skrevet en ny treårskontrakt. I 2018/19-sesongen endte Chelsea på 3. plass i serien, før de i 2019/20-sesongen igjen ble seriemester, denne gangen på poengsnitt fordi sesongen ble avbrutt av koronapandemien.