ダヴィド・ルイス・モレイラ・マリーニョ
2016年8月31日、チェルシーへの復帰が決定。契約は3年間。背番号は以前着けていた番号の4番はセスク・ファブレガスが着用しているため、30番になった。2017年1月31日のリヴァプール戦で直接FKを決めた。2017年4月には活躍が認められて、プレミアリーグに年間ベストイレブンに選ばれた。
しかし復帰2年目の2017-18シーズンは、序盤こそレギュラーとして出場していたが、2017年10月に監督のアントニオ・コンテとの確執が発生。発端は10月18日のUEFAチャンピオンズリーグのグループステージ第3節の対ASローマ戦で途中交代を命じられた際に悪態をついたとされる。さらに第4節の同じく対ASローマ戦では0-3で大敗した後のミーティングでダヴィド・ルイスはコンテの戦術に異を唱えたとされ、翌日の練習でも両者は練習態度を巡って衝突し、11月5日のプレミアリーグ第11節の対マンチェスター・ユナイテッド戦では召集外という罰を受けた。この衝突には、親友であるジエゴ・コスタがコンテとの確執で退団に追い込まれた処遇が背景にあり、ダヴィド・ルイスは両者の仲裁役を買って出たため、コンテからは疎まれていたとも報じられている。その後、コンテは若手のアンドレアス・クリステンセンを重用したため、2017-18シーズンはリーグ戦10試合(騒動のあった10月以降はわずか2試合)のみの出場と冷遇された。
2018-19シーズンにコンテが解任されマウリツィオ・サッリが監督に就任するとクリステンセンからレギュラーを奪取し、UEFAヨーロッパリーグのベストイレブンに選ばれるなど、ヨーロッパリーグ優勝に貢献した。
2019年8月8日、新しく就任したチェルシーのフランク・ランパード監督からレギュラーを保証されず、開幕を控える中で突如アーセナルへの完全移籍を発表した。移籍金は800万ポンドと報じられた。10月6日ボーンマス戦で移籍後初ゴールとなる決勝点を決めた。2020年1月21日のビッグロンドン・ダービーではムスタフィのミスパスもあり、シュート体制に入っていたエブラハムを倒してしまい退場処分となりPKを与えた。試合は2-2で引き分けた。5月27日、当初2年契約と報じられていたが実際は1年契約延長オプション付きの1年契約でありこのままだと夏にアーセナルと契約が切れると報じられた。6月17日、プレミアリーグ第29節延期分のマンチェスター・シティ戦では途中出場から、失点に直結するミス、PKの献上、退場処分という失態を犯す。この記録は欧州主要リーグでは2015年のカール・ジェンキンソン以来実に5年ぶりの失態である。6月24日、去就に関して様々な噂がされていたがアーセナルは1年間契約延長することを発表した。7月26日、リーグ最終節のワトフォード戦でウェルベックに対してのファールで、今期通算5回目となるPKを献上、これまでのプレミアリーグの歴史で1シーズンに相手にPKを与えた最多記録を更新した(チェルシー在籍時に与えた通算3回のPKを僅か1シーズンで更新した。