Antonio Contes sida gav ett imponerande uttalande om avsikt när de skar staden isär på pausen efter att ha gått bakom Gary Cahills eget mål på halvtid, när han avled Jesus Navas kors bortom väktare Thibaut Courtois.
Spelet vände på Kevin de Bruynes 56-minuters miss med City i kontroll, kraschar Navas "kors mot baren från insidan av sexyard box.
Chelsea var nivå på den timme då Diego Costa outmuscled Nicolas Otamendi att göra mål och de var framåt 10 minuter senare när substitut Willian tävlade klart att slå Citykeeper Claudio Bravo med lätthet.
Eden Hazard avslutade en magnifik seger för Chelsea med ett annat mål på pausen, visar för mycket tempo för Aleksandar Kolarov att slå in tre viktiga punkter.
Chelseas renässans sedan en 3-0 förlust på Arsenal i september lämnade dem på åttonde plats, åtta poäng efter då ledare City, har varit enormt imponerande - men detta är deras mest kraftfulla uttalande för säsongen.
Åtta segrar från åtta och bara två mål medgav berättar historien och denna seger mot City var den andra veckan i följd de har kommit bakifrån för att slå ett lag som kan betraktas som realistiska titel rivaler efter att övervinna Tottenham på Stamford Bridge förra helgen.
De testades av perioder av stadsherravälde, men visade en hänsynslöshet att matcha deras ståliga motståndskraft och slet Pep Guardiola sida till strimlor i stängning 20 minuter.
Contes övergång till ett tremannasystem och föryngringen av nyckelmän som Costa och Hazard gör att Chelsea-sidan liknar hela titelpaketet.
Manchester City har hållit ett rent blad hemma i Premier League denna säsong - i 4-0 seger mot Bournemouth - och på detta bevis är det lätt att se varför.
För stadens dominans över ägande och skapelse har Guardiolas sida en akilleshäl i ryggen som blev hänsynslöst avslöjad här.
Ja, De Bruyne borde ha lagt spelet utanför Chelseas räckvidd men stadens försvar erbjöd besökarna hopp hela - och hur de kapitaliserades när de fick chansen.
Guardiola har kopplats samman med defensiva förstärkningar, särskilt Southamptons Virgil van Dijk, och det sätt på vilket de avvecklades här gör nu detta till en brådskande fråga.
Jitters började tidigt när John Stones togs i besittning i sitt eget område, medan defensiv partner Nicolas Otamendi hade en mardröm eftermiddag och var skyldig Chelseas första två mål från Costa, där han var svag i utmaningen, och Willian.
Guardiola gestikulerade i förtvivlan mot sina centrala försvarare efter Willians mål - hans missnöje kommer säkert att ta formen av mer beslutsamma åtgärder i januari.
Det är osannolikt att vare sig Manchester City eller Chelsea har hört den sista av en skamlig avslutning på en högklassig fotbollsmatch när spelare och tjänstemän från båda sidor blev invecklade i fula scener.
Stadens frustration över vad de trodde var en rad orättvisor i händerna på domaren Anthony Taylor kokade över i skada tid som Aguero fångade Luiz hög och sen, vilket hände efter Argentina strejkaren sammandrabbade med försvararen i ett hörn tidigare.
Chelsea's Nathaniel Chalobah gick in och hade turen att inte se rött, medan Fernandinho skickades iväg för att gripa Cesc Fabregas.
Även då, måste Fernandinho tvingas lämna planen och med hela situationen hotar att gå helt utom kontroll, det var tur domare Taylor kunde blåsa sista visselpipan sekunder senare.
Det är svårt att se hur båda klubbarna kan undgå misstroende för ett misslyckande att kontrollera sina spelare.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Manchester City chef Pep Guardiola på Sky Sports: "Grattis till Chelsea - de vann. Vi spelade riktigt bra, hade mycket kontroll och skapade chanser - men bollen i lådan var inte stark nog.
"Chelsea strategi var verkligen annorlunda men det är en del av spelet. Man förväntar sig inte att Chelsea ska skapa 25 chanser - de skapade tre och gjorde tre."
På frågan om Agueros utmaning på Luiz i slutet av spelet, Guardiola tillade: "Båda spelarna var starka där - det är allt."
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Chelsea manager Antonio Conte på Sky Sports: "Idag var mycket tuff och spelet var öppen fram till slutet. Det fanns massor av chanser för båda lagen att göra mål.
"Jag såg mycket karaktär från mitt lag och det är mycket viktigt att växa - men vi måste fortsätta att arbeta och förbättra."
På tal om Costas roll som fredsbevarare i slutet av spelet, tillade han: "Diego visar att han använder sin passion på rätt sätt och jag är mycket glad över det."
Jason Roberts, tidigare West Brom-strejkare, på Final Score: "Chelsea var otrolig. De gick efter, men de behöll sina huvuden. Jag tror att Pep hade fel och jag tror att Conte hade rätt.
"Perfekterna från Willian, från Costa, från Fabregas - som kom på och visade att han har den biten av list. Detta är det bästa spelet jag har sett den här säsongen."
Manchester City har en hemmamatch mot Celtic i Champions League på tisdag (19:45 GMT kick-off), följt av en Premier League resa till Leicester City 10 December (17:30).
Chelseas nästa match är en hemmamatch mot West Bromwich Albion i Premier League den 11 december klockan 12:00 GMT.
Matchen slutar, Manchester City 1, Chelsea 3.
Andra halvlek, Manchester City 1, Chelsea 3.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Cesc Fàbregas (Chelsea) visas det gula kortet.
Natanael Chalobah (Chelsea) visas det gula kortet.
Fernandinho (Manchester City) visas det röda kortet för våldsamt beteende.
Försening i match David Luiz (Chelsea) på grund av en skada.
Sergio Agüero (Manchester City) visas det röda kortet.
Foul av Sergio Agüero (Manchester City).
David Luiz (Chelsea) vinner en frispark i defensiva halvan.
Ersättning, Chelsea. Michy Batshuayi ersätter Eden Hazard.
Försöket räddades. Willian (Chelsea) höger fotade skott från höger sida av lådan sparas i nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Eden Hazard.
Försök missade. Yaya Touré (Manchester City) huvudet från mitten av lådan är högt och brett till vänster. Hjälpt av Kevin De Bruyne med ett kors.
Mål!  Manchester City 1, Chelsea 3. Eden Hazard (Chelsea) höger fotade skott från mitten av lådan till nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Marcos Alonso med en genomboll efter en snabb paus.
Försök missade. Kelechi Iheanacho (Manchester City) höger fotade skott från utsidan lådan är hög och bred till höger.
Handboll av Eden Hazard (Chelsea).
Hörnet, Manchester City. Sammankallad av César Azpilicueta.
Foul av Aleksandar Kolarov (Manchester City).
Eden Hazard (Chelsea) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försök missade. Kelechi Iheanacho (Manchester City) huvud från vänster sida av sex yard box är hög och bred till vänster. Hjälpt av David Silva med ett kors som följer ett hörn.
Försening över. De är redo att fortsätta.
Ersättning, Chelsea. Nathaniel Chalobah ersätter Diego Costa på grund av en skada.
Försening i match Diego Costa (Chelsea) på grund av en skada.
Hörnet, Manchester City. Förföljd av Willian.
Jesús Navas (Manchester City) visas det gula kortet för en dålig foul.
Foul av Jesús Navas (Manchester City).
Eden Hazard (Chelsea) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Fernandinho (Manchester City).
N'Golo Kanté (Chelsea) vinner en frispark i anfallshalvan.
Försök missade. Nicolás Otamendi (Manchester City) huvud från mitten av lådan är för hög. Hjälpt av Kevin De Bruyne med ett kors efter ett hörn.
Hörnet, Manchester City. Förföljd av Eden Hazard.
Foul av Aleksandar Kolarov (Manchester City).
Eden Hazard (Chelsea) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Substitution, Manchester City. Kelechi Iheanacho ersätter John Stones.
Substitution, Manchester City. Yaya Touré ersätter Ilkay Gündogan.
Handboll av Gaël Clichy (Manchester City).
Försening över. De är redo att fortsätta.
Försening i match Willian (Chelsea) på grund av en skada.
Mål!  Manchester City 1, Chelsea 2. Willian (Chelsea) höger fotade skott från höger sida av lådan till nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Diego Costa med en genom boll efter en snabb paus.
Substitution, Manchester City. Gaël Clichy ersätter Leroy Sané.
Chelseas åttonde på varandra följande Premier League seger cementerade sin plats på toppen av bordet - men deras seger på Etihad Stadium slutade i kaos som Manchester Citys Sergio Aguero och Fernandinho skickades iväg i skada tid.