Det bekrefter begge klubbene torsdag.
Fabregas er dermed tilbake i Premier League etter tre sesonger i Barcelona. Spanjolen spilte i Arsenal mellom 2003 og 2011.
– Jeg føler at jeg har noe ugjort i Premier League og at det er riktig å komme tilbake nå, sier Fabregas til Chelseas nettsted.
– Jeg vil takke alle i Barcelona, der jeg har hatt tre gode år. Det var min barndomsklubb, og jeg er stolt over å ha fått sjansen til å spille for et så fantastisk lag, la han til.
Fabregas får draktnummer 4 i Chelsea.
Vurderte flere tilbud
Flere andre klubber, deriblant Manchester United, har vært på jakt etter den tidligere Barca-spilleren. Valget falt altså til slutt på Mourinhos lag.
– Jeg vurderte mange tilbud svært nøye, og jeg mener Chelsea var det beste valget. Klubben deler mine ambisjoner på å vinne store troféer. De har en fantastisk tropp og en helt utrolig manager. Jeg gleder meg til å starte karrieren min i Chelsea, sier midtbanespilleren i en uttalelse på Chelseas hjemmesider.
Det er ikke kjent hvor mye Chelsea måtte punge ut med for å sikre seg Fabregas, men britiske aviser hevder i hvert fall at klubben har betalt rundt 300 millioner for spilleren.
– Magien falmet
Omtrent samtidig som nyheten om Fabregas overgang ble kjent la Barcelona ut en artikkel om fotballspilleren der de vurderer hans tre siste år for klubben.
Der kommer artikkelforfatterne med et aldri så lite stikk til midtbanespilleren.
– Han har hatt en nedadgående trend, konkludereres det blant annet med.
«Til tross for en glødende start på hver sesong, ble han gradvis mer fraværende etter hvert som hver sesong nærmet seg slutten. Magien falmet utover i hver sesong», heter det blant annet i artikkelen.
Arsenal brukte ikke opsjon
Fabregas ble seriemester med Barcelona i sin første sesong. I 2012 vant han også den spanske cupen.
Arsenal hadde en opsjonsrett til å kjøpe Fabregas tilbake ved et salg, men den ønsket ikke manager Arsene Wenger å benytte seg av. Dermed slo London-rival Chelsea til.
– Alle visste at Arsenal hadde førsterett på å hente meg, men de valgte ikke å bruke den. Derfor ble det ingen retur. Jeg ønsker dem lykke til i framtiden, opplyste midtbanespilleren