I juni 2011 opplyste daglig leder i Anderlecht, Herman van Holsbeeck, at klubben var i forhandlinger med Chelsea om en mulig overgang for Lukaku. Den 6. august kom klubbene til enighet, og den 18. august 2011 skrev han under for Chelsea. Han signerte en fireårskontrakt som bandt ham til klubben ut 2014/2015-sesongen. Lukaku ble tildelt drakt nummer 18.