Spanjoren, 27 år, tillbringade tre år på Barca och gick med i Blues efter att Arsenal tackade nej till ett första alternativ att köpa honom.
Fabregas går med för en hemlig avgift och sade Chelsea matchade hans fotbollsambitioner, tillägger att han hade "oavslutade affärer" i Premier League.
"Jag övervägde alla andra erbjudanden mycket noggrant och jag är fast övertygad om att Chelsea är det bästa valet", sade han.
Medan avgiften för flytten är okänd, den spanska klubben var glad för Fabregas att lämna mot en avgift i regionen £ 30m.
Hans ankomst kommer 10 dagar efter England mittfältare Frank Lampard meddelade att han skulle avsluta sin 13-åriga vistelse på Stamford Bridge.
Chelsea boss Jose Mourinho är också angelägen om att slutföra överföringen av spanska internationella Diego Costa från Attetico Madrid, som han försöker förbättra på sin sida tredje plats i 2013-14.
"För tolv månader sedan, Fabregas var inte beredd att låta sin Barcelona dröm dö genom att gå med Manchester United. Nu har han bestämt att tiden är rätt för en återgång till Premier League.
"På Chelsea kommer han att fylla rollen som Frank Lampard, som skrev av i sommar efter 13 härliga år när han vann tre Premier League-titlar, Champions League och blev klubbens högsta målskytt.
"Det är arvet Fabregas förväntas leva upp till. Jose Mourinho kommer att kräva det."
"De har en fantastisk grupp av spelare och en otrolig manager," tillade Fabregas, som har 89 kapsyler för Spanien. "Jag är helt engagerad i det här laget och jag kan inte vänta med att börja spela."
Fabregas, som gjorde 50 gånger i 305 matcher för Arsenal under sin tidigare trollformel i England, kommer att bära nummer fyra skjorta och gå Ramires, Nemanja Matic och John Obi Mikel som centrala mittfält alternativ för Mourinho.
Han gjorde 35 mål i 129 framträdanden för Barcelona, men det misslyckades med att tjäna honom en regelbunden mittfält roll på Nou Camp, med trion Xavi Hernandez, Andres Iniesta och Sergio Busquets betraktas som klubbens viktigaste centrala kombination.
Fortfarande Arsenal yngsta någonsin spelare på bara 16 år och 177 dagar, Fabregas förväntades ha blivit föremål för ett bud från hans tidigare klubb.
Men med Jack Wilshere, Aaron Ramsey, Mesut Ozil, Mikel Arteta och Alex Oxlade-Chamberlain alla kan uppfylla centrala roller, Gunners chef Arsene Wenger valde att inte underteckna mannen han gjorde kapten 2008.
"Ja, alla vet att Arsenal hade den första möjligheten att underteckna mig", tillade Fabregas, som sade att det var "extremt viktigt" flytten var klar innan VM-finalen.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"De bestämde sig för att inte ta det här alternativet och därför var det inte meningen. Jag önskar dem lycka till i framtiden."
Chelsea ser ut att förlora försvararen David Luiz till Paris St-Germain efter en överenskommelse för Brasilien, men målvakt Petr Cech välkomnade undertecknandet av Fabregas.
"Tydligen är han en bra spelare, med en hel del erfarenhet av att spela i England och Premier League så det är ett bra komplement till laget," sade Cech.
Barcelona skolade Fabregas i sin La Masia-akademi från 10 års ålder och tackade honom för "hans professionalism och engagemang under hans år på klubben".
Han kunde vara med i Spaniens VM-öppnare mot Nederländerna på fredag, med lagkamrat Xavi kallar flytten "en stor möjlighet".
"Han ser mycket glad ut nu och han vet vad hans framtid har i beredskap för de närmaste åren", sade Xavi, även om han tillade att det var en stor förlust för Barcelona att se Fabregas lämna.
Chelsea har tecknat ett femårigt avtal med f.d. Arsenal midfielder Cesc Fabregas från Barcelona.