Overgangen bekreftes av Chelsea på sine nettsider onsdag.
Ifølge The Athletic ligger overgangssummen på rundt 570 millioner kroner.
Sterling er født og oppvokst i hovedstaden og gleder seg til å fortsette karrieren i hjembyen. Sterling skriver under en femårskontrakt.
– London er mitt hjem og der det hele startet for meg. Det er utrolig at jeg nå får muligheten til å spille foran venner og familie uke etter uke på Stamford Bridge, sier Sterling.
[ Berge-sjef avviser overgang: – Han vet hva vi synes om ham ]
Farvel
Tidligere onsdag tok han farvel med City-fansen.
«Sju sesonger, elleve store trofeer, en livstid med minner», skrev Sterling i et innlegg på Twitter.
«Min respekt for dere kunne ikke vært større. For en reise det har vært», fortsatte 27-åringen og pekte på lagkameratene, trenerne og alle i støtteapparatet i klubben.
[ Mendy sammenligner Haaland med Liverpool-flopp ]
– Mer å oppnå
Sterling ble hentet til Manchester City fra Liverpool i 2015. Han vant fire ligatitler, én FA-cuptittel og tre ligacuptitler med de lyseblå. I alt scoret han 131 mål på 339 kamper.
– Jeg har åpenbart oppnådd mye i karrieren min så langt, men det er fortsatt mye mer å oppnå. Jeg ser virkelig fram til å gjøre det i Chelsea-drakten, sier Sterling.
Sterling står med 77 landskamper for England. Debuten gjorde han unna som 17-åring i 2012.