Następnie Duńczyk został wybrany przez kibiców klubu najlepszym zawodnikiem Ajaksu rozgrywek 1999/2000.
W październiku 2000 roku piłkarz ten za siedem i pół miliona funtów odszedł jednak do Chelsea, dzięki czemu stał się najdroższym duńskim piłkarzem w historii. Od stycznia 2001 roku był jednak wykluczony z gry z powodu kontuzji. Na Stamford Bridge Grønkjær spędził cztery lata, lecz z powodu nierównej formy często był krytykowany przez kibiców oraz trenera Chelsea – Claudio Ranieriego. W ostatnim meczu sezonu 2002/2003 z Liverpoolem Chelsea po dwóch trafieniach Duńczyka zwyciężyła 2:1 i zapewniła sobie czwarte miejsce w ligowej tabeli, co dało jej możliwość gry w eliminacjach do Ligi Mistrzów. W barwach „The Blues” Grønkjær rozegrał łącznie 88 spotkań w Premier League i zdobył siedem goli.