Ostatni mecz w barwach Barcy rozegrał 26 maja 2007 roku, kiedy to wystąpił w ligowym spotkaniu z Getafe CF.
23 sierpnia 2007 roku Belletti przeniósł się do Chelsea. Transfer opiewał na sumę 5,5 miliona funtów. W Premier League zadebiutował 25 sierpnia w wygranym 1:0 spotkaniu z Portsmouth. Pierwszego gola dla The Blues Brazylijczyk zdobył 11 listopada 2007 roku, kiedy to pokonał bramkarza Wigan Athletic – Chrisa Kirklanda. W sezonie 2007/2008 Chelsea zajęła drugie miejsce w lidze oraz dotarła do finału Ligi Mistrzów w którym uległa po serii rzutów karnych Manchesterowi United. Przed kolejnymi rozgrywkami do klubu został ściągnięty boczny obrońca – José Bosingwa – co spowodowało, że trener Luiz Felipe Scolari często przesuwał Bellettiego do linii pomocy. Sezon 2008/2009 The Blues zakończyli wygranym meczem finałowym Pucharu Anglii z Evertonem, a Belletti całe spotkanie przesiedział na ławce rezerwowych. W kolejnych rozgrywkach był rezerwowym i w Premier League rozegrał 11 meczów. Jego klub po emocjonującej walce z Manchesterem United został mistrzem Anglii, oraz po raz drugi z rzędu sięgnął po krajowe trofeum – w finale pokonał Portsmouth, a Belletti grał od 44. minuty, kiedy to zmienił kontuzjowanego Michaela Ballacka.