Po trzech sezonach spędzonych na Stadio Olimpico Di Matteo zdecydował się jednak zmienić klub i za rekordową wówczas sumę 4,9 milionów funtów odszedł do Chelsea. Razem z „The Blues” zajął szóste miejsce w tabeli Premier League i zapewnił sobie udział w Pucharze UEFA. W kolejnych sezonach londyński zespół nigdy nie kończył rozgrywek na gorszym miejscu niż szóste, a Roberto przez ponad trzy lata był podstawowym zawodnikiem Chelsea. W sezonie 1999/2000 u Włocha zaczęły się pojawiać problemy ze zdrowiem. Przez kontuzję nogi Di Matteo przez bardzo długi czas odpoczywał od futbolu, by w 2002 roku zakończyć karierę. Następnie Włoch otworzył w Londynie sieć restauracji. Z Chelsea wywalczył między innymi Puchar Zdobywców Pucharów w 1998 roku.
Kariera reprezentacyjna W reprezentacji Włoch Di Matteo zadebiutował 16 listopada 1994 roku w spotkaniu przeciwko Chorwacji, kiedy to trenerem Włochów był Arrigo Sacchi. Razem z drużyną narodową wystąpił na Euro 1996, jednak Włosi udział w turnieju zakończyli na rundzie grupowej. Dwa lata później włoski pomocnik znalazł się w kadrze Italii na Mistrzostwa Świata we Francji. Reprezentacja prowadzona wówczas przez Cesare Maldiniego dotarła do ćwierćfinału, w którym przegrał po rzutach karnych 3:4 z Francją. Na mundialu Di Matteo wystąpił tylko w dwóch spotkaniach fazy grupowej.