Pelatih asal Italia ini  ditunjuk sebagai pelatih sementara (caretaker) Chelsea menggantikan Andrea Villa Boas pada Maret 2012. Saat menukangai Chelsea di masa kepelatihan sementara, ia berhasil mengantarkan Chelsea menjadi kampiun di Liga Champions musim 2011/12 yang sekaligus menjadi gelar Liga Champions  satu-satunya Chelsea sejauh ini.

Atas keberhasilan Di Matteo tersebut, Abramovich memberikan hadiah beruapa kontrak kepada pelatih plontos itu dan menjadikannya sebagai kepala pelatih di skuat Chelsea. 

Tapi sering jalan, performa Chelsea juga menurun di awal musim 2012/2013. Ia gagal dalam menjaga performa bagus Chelsea. Puncaknya pria 47 tahun ini dipecat dari Chelsea di pertengahan musim 2012/2013.