John Terrys uppmätta sido-fot skott gav Blues ledningen efter att värdarna misslyckades med att rensa sina linjer när Matas fri-kick träffade utsidan av posten.
Daniel Sturridges sublima backheel finish när du kör igenom en på en med vakten Simon Mignolet gjorde det 2-0.
Ji Dong-Won slitsade hem i skada tid för att ge Black Cats en glimt av hopp men Chelsea höll på.
Det var ett nervvrak sista sekunder men även den mest diehard Sunderland supporter skulle ha kämpat för att hävda att en dragning skulle ha varit ett rättvist resultat.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Sturridges skandalösa insats när man konfronterades med den överrusande Mignolet var det enastående ögonblicket i en imponerande Blues-föreställning, men Matas inflytande var nyckeln till deras seger.
Spaniard var den kreativa navet av allt Blues gjorde, kräver bollen vid varje tillfälle och ger en bländande display, full av en-touch fotboll, snygga pass och avgörande, en talande finalboll.
Blues boss Andre Villas-Boas har öppet talat om behovet av att injicera mer fart och kreativitet och Mata uppfyllde sin önskan, spela med brådska och gnistra av allt som var bra om besökarna som de säkrade en tredje seger i fyra ligamatcher.
Deadline-day signering Raul Meireles var lika inflytelserik som hans kollega midfielder, sätta upp Sturridges mål med en fin lång pass, men det var Mata som fångade ögat.
Chelsea och Mata började ljust men Sunderland strejker Nicklas Bendtner hade första chansen att spelet bara att titta på hans huvud bred från en retande Sebastian Larsson fri-kick.
Chelsea har i så många år varit Drogba och Lampard-baserad och det pågår en subtil stilförändring bakom kulisserna. De var inte som bäst men det var det bästa de har spelat den här säsongen och de behövde inte komma ur tredje växeln eftersom Sunderland var fattig
Förutom denna ansträngning - och en Stephane Sessegnon strejk som slogs bort av den återvändande Petr Cech sent i halv - Chelsea dominerade den första perioden.
Nicholas Anelka slog en skott bred efter en snabb paus och också testade Mignolet med en våldsam skott, medan Ramires böjde ett skott bred efter en kraftfull våg.
Men det var försvararen Terry som öppnade poängsättningen, svalt avsluta vid andra försöket från Sturridges utmärkta kors som Chelsea höll trycket på efter Matas strejk träffade träarbetet.
Alla förhoppningar om en Sunderland väckelse verkade över som Sturridge, föredrog framför £ 50m man Fernando Torres, gjorde det 2-0 sex minuter efter paus.
Spelet peted ut något efter det, även om ersätta Florent Malouda och Anelka båda hade chanser att förlänga ledningen.
Sunderland saknade tempo på framsidan och kunde ha gjort med en nippy framåt som den avgående Asamoah Gian till partner Bendtner.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
Dane förebildade hemmasidan, visar gott om ansträngningar men de såg maktlösa för att förhindra en andra raka hem nederlag som Chelsea fortsatte att spela in sin 13: e seger i 14 matcher mot Black Cats trots Dong-Won sista-gasp ansträngning.
Sunderlandschef Steve Bruce:
"Det var mycket svårt mot ett mycket bra Chelsea-lag. De hade fantastisk tillgång till bollen och vi spenderade så mycket energi för att få tillbaka den. De var utmärkta i besittning av bollen. Vi kommer att spela mot mindre lag än så tack och lov.
"När vi hade den gav vi bort den för billigt och det gjorde en mycket svår eftermiddag.
"Men för alla deras innehav var båda deras mål fattiga ur vår synvinkel."
Chelsea manager Andre-Villas Boas:
"Det gick mycket bra för oss när det gäller vad vi vill uppnå, inte för att vi inte har försökt göra det tidigare, men det bara inte hände i de andra tre matcher.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Tyvärr kunde vi spela det förbipasserande spelet som mer relaterar till hur vi tränar, och laget spelade mycket, mycket bra. Jag är mycket nöjd med visningen.
"Den 2-1, naturligtvis, är omöjlig att undvika och det gav en fördel till de senaste tre minuterna, men vi kan bara säga att Chelsea förtjänade att vinna och vi var mycket konsekvent i den första och andra halvorna.
"Jag är mycket nöjd med allas ansträngningar."
Heltid Domaren avslutar matchen.
Raul Meireles skjuter. Jack Colback får ett kvarter in. Hörnet kort av Florent Malouda.
Bokning Jose Bosingwa visas ett gult kort.
Assist på målet kom från Nicklas Bendtner.
Mål!  - Dong-Won Ji - Sunderland 1 - 2 Chelsea Mål gjorde av Dong-Won Ji från djupt inne i straffområdet till nedre högra hörnet av målet. Sunderland 1-2 Chelsea.
Ahmed Elmohamady producerar ett högerfött skott från strax utanför området som går ofarligt över målet.
Dong-Won Ji levererar bollen, John Terry lyckas göra en klarering.
Craig Gardner tar chansen att få en insats på mål. Blockerad av John Terry.
Bollen korsas av Jose Bosingwa, klarering gjord av Titus Bramble.
Ett kors levereras av Ahmed Elmohamady, John Terry gör en klarering.
Bollen korsas av Jack Colback, John Terry gör klartecken.
Bollen levereras av Florent Malouda.
Substitution Stephane Sessegnon går av och Dong-Won Ji kommer på.
Florent Malouda producerar ett högerfotat skott från precis utanför lådan som missar till höger om målet.
Hörnet kort av Florent Malouda.
Ersättning Oriol Romeu ersätter Nicolas Anelka.
Centre av Stephane Sessegnon, rädda av Petr Cech.
Offsideflaggan är riktad mot Frank Lampard. Frispark tagen av Simon Mignolet.
Bollen svängs över av Nicolas Anelka.
Skjuten från precis utanför straffboxen av Stephane Sessegnon missar till vänster om målet.
Connor Wickham befläckad av John Terry, domaren ger en frispark. Frispark korsad högerfotad av Sebastian Larsson från höger kanal, klarering gjord av Branislav Ivanovic.
Substitution Juan Mata lämnar fältet som ska ersättas av Fernando Torres.
Bollen är svängd över av Ashley Cole, Wes Brown lyckas göra en klarering.
Nicolas Anelka skjuter. Räddad av Simon Mignolet.
Hörnet tas vänster fotad av Juan Mata från vänster by-line, klarering gjord av Connor Wickham.
Frank Lampard levererar bollen, frigång av Sebastian Larsson.
Hörnet taget av Juan Mata, Nicklas Bendtner lyckas göra en klarering.
Ett kors levereras av Juan Mata, klarering av Wes Brown.
Connor Wickham flaggas utanför av biträdande domare. Petr Cech tar gratisspark.
Sebastian Larsson skickar in ett kors, Header av Connor Wickham från djupt inne i straffområdet missar till vänster om målet.
Substitution Lee Cattermole lämnar fältet att ersättas av Connor Wickham.
Skott från utsidan av lådan av Lee Cattermole går över crossbaren.
Bollen korsas av Jack Colback, Nicklas Bendtner tar ett skott. Branislav Ivanovic får ett kvarter in.
Florent Malouda skjuter. Räddad av Simon Mignolet.
Substitution (Sunderland) gör en substitution, med Ahmed Elmohamady på väg mot Phillip Bardsley.
Ersättning Florent Malouda ersätter Daniel Sturridge.
Hörnet taget av Sebastian Larsson från vänster by-line till nära post, klarering av Jose Bosingwa.
Hörnet från höger by-line taget av Sebastian Larsson, Lee Cattermole tar ett skott. Blockerad av Ramires.
Ashley Cole flaggas offside av biträdande domare. Indirekt frispark tas av Simon Mignolet.
Assist på målet kom från Raul Meireles.
Mål!  - Daniel Sturridge - Sunderland 0 - 2 Chelsea Daniel Sturridge hittar nätet med ett mål från insidan av straffområdet till nedre vänstra hörnet av målet. Sunderland 0-2 Chelsea.
Kort hörn taget av Daniel Sturridge, Effort från 20 meter av Daniel Sturridge. Phillip Bardsley får ett kvarter in.
Ashley Cole ger Lee Cattermole tillstånd.
Domaren blåser för offside. Phillip Bardsley tar gratisspark.
Skjuten strax utanför straffområdet av Nicolas Anelka missar till vänster om målet.
Bollen levereras av Phillip Bardsley, Craig Gardner tar ett skott. Petr Cech gör en räddning.
Domaren får den andra halvan på gång.
Halva tiden Det är slutet på första halvan.
Centret av Ramires.
Kieran Richardson skickar in ett kors, Header av Sebastian Larsson från djupt inne i straffområdet missar till vänster om målet.
Ett kors levereras av Phillip Bardsley, Branislav Ivanovic lyckas göra en klarering.
Insvingande hörn taget av Sebastian Larsson, klarering gjord av Raul Meireles.
Stephane Sessegnon skjuter. Rädda av Petr Cech.
Phillip Bardsley skjuter. Blockerad av Ramires.
Jose Bosingwa skjuter. Lee Cattermole får ett kvarter in.
Hörnet tas vänsterfotad av Juan Mata från höger by-line till nära inlägget, Nicklas Bendtner lyckas göra en klarering.
Nicolas Anelka producerar ett borrat högerfotat skott från 20 meters håll. Blockerad av Wes Brown.
Bollen skickas över av Jack Colback, rädda av Petr Cech.
Nicolas Anelka befläckad av Sebastian Larsson belönar domaren med en frispark. Frank Lampard startar om spelet med den fria kicken.
Bollen skickas över av Jose Bosingwa.
Nicolas Anelka skjuter. Räddad av Simon Mignolet.
Raul Meireles skjuter. Blockerad av Kieran Richardson.
Kieran Richardson producerar en högerfotad skott från strax utanför straffområdet som går ofarligt över målet.
Hörnet taget av Sebastian Larsson från höger by-line spelas till nära inlägget, Raul Meireles lyckas göra en klarering.
Gratis spark utdelas för en foul av Raul Meireles på Stephane Sessegnon. Frispark tagen av Phillip Bardsley.
Orättvis utmaning på Nicolas Anelka by Wes Brown resulterar i en frispark. Nicolas Anelka tar gratisspark.
Centrum av Stephane Sessegnon.
Ramires ger ett högerfotat skott från precis utanför lådan som går vid höger om målet.
Ansträngning på mål av Nicolas Anelka från djupt inne i straffområdet missar till höger om målet.
Jack Colback erkänner en frispark för en foul på Ramires. Branislav Ivanovic startar om spelet med den fria kicken.
Boka Jack Colback varnas av domaren för osportande beteende.
Assistent av Nicolas Anelka. Jose Bosingwa har en insats på mål från utanför området som går bred vänster om målet.
Mål!  - John Terry - Sunderland 0 - 1 Chelsea John Terry hittar baksidan av nätet med ett mål från insidan av sexyard box till nedre högra hörnet av målet. Sunderland 0-1 Chelsea.
Nicolas Anelka befläckad av Lee Cattermole, domaren ger en gratis kick. Strike på mål kommer in från Juan Mata från frispark.
Nicklas Bendtner är fångad utanför. John Terry tar den indirekta frisparken.
Phillip Bardsley skickar in ett kors, Branislav Ivanovic lyckas göra en klarering.
Bollen svängs över av Phillip Bardsley.
Raul Meireles utmanar Stephane Sessegnon orättvist och ger bort en frispark. Direkt frispark tagen av Sebastian Larsson, Headed insats inifrån området av Nicklas Bendtner missar till vänster om målet.
Frank Lampard bestämmer sig för att ta ett kort hörn.
Centret av Ashley Cole, Phillip Bardsley lyckas göra en klarering.
Gratis kick delas ut för en orättvis utmaning på Branislav Ivanovic av Nicklas Bendtner. Frispark tagen av Frank Lampard.
Foul av Craig Gardner på Jose Bosingwa, frispark belönad. Frispark tagen av Jose Bosingwa.
Branislav Ivanovic befläckad av Craig Gardner, domaren ger en gratis kick. John Terry tar direkt frispark.
Bollen är svängd över av Ashley Cole, Kieran Richardson gör en klarering.
Matchen har börjat.
Live-data och text som tillhandahålls av våra dataleverantörer
Kommentarer till direkttext
Juan Mata spelade på sin debut när Chelsea kryssade förbi en tandlös Sunderland sida trots en sen skrämsel.