Frank Lampard jubler etter 1-0-målet. (Foto: AP/Scanpix)
De blåkledde vant onsdagens prestisjeoppgjør 2-1, og med samme sifre sammenlagt etter 0-0 i den første semifinalekampen på Stamford Bridge.
Damien Duff ble matchvinner etter 85 minutter spill med et meget heldig frispark fra svært langt hold.
Han skrudde ballen med venstrebeinet ute fra sidelinjen, og etter å ha truffet bakken på femmeteren spratt ballen inn i lengste hjørne uten at Chelseas fremadstormende spisser eller forsvaret var nær den.
Hjemmelaget jaget utligning i sluttminuttene. Cristiano Ronaldo sendte i vei en suser to minutter før slutt, men Chelsea-keeper Petr Cech reddet mesterlig.
United-spillerne og manager Alex Ferguson tuslet like etter dukknakket av banen i visshet om at sesongens første sjanse til å vinne noe forsvant.
Utsøkt lobb
Frank Lampard sendte Chelsea i ledelsen etter 29 minutters spill etter fikst forarbeid av Didier Drogba på venstresiden.
Sistnevnte fintet bort Gary Neville og Rio Ferdinand og frispilte Lampard, som satte ballen behersket bort i Tim Howards venstre hjørne.
Chelsea hadde bra kontroll til pause, men etter hvilen kom United sterkt tilbake og presset gjestene på defensiven. Veteranen Ryan Giggs utlignet på utsøkt vis etter 67 minutters spill da han med sitt følsomme venstrebein lobbet ballen elegant over Cech fra åtte meters hold.
Gary Neville serverte pasningen fra høyre og lagene var like langt inntil en ellers meget patent Howard ble like lurt som alle andre av Damien Duffs finurlige frispark fra langt hold.
Chelsea møter nå Liverpool i finalen på Millennium stadion i Cardiff 27. februar.