Hemmakapten Karen Carney hade den bästa chansen till en mållös första halvlek men hennes volley räddades av Hedvig Lindahl.
Jo Potters curling frikick sätta värdarna framåt kort efter halvtid.
Chelsea kunde inte svara och nederlag slutade deras förhoppningar om att vinna en inhemsk diskant den här säsongen.
Efter en långsam start slutade besökarna den första halvan starkare, och stadsbevarare Sophie Baggaley gjorde väl i att vända Gemma Davisons låga skott runt henne nära stolpen, innan Millie Bright s doppning insats gick snävt över baren.
Tvåfaldiga finalister Birmingham tog ledningen efter pausen när Potter hittade det översta hörnet med en skickligt tagen direkt frispark.
Sydkorea internationella framåt Ji So-Yun såg hennes skott blockeras som Birmingham försvaras i antal, och Hannah Blundells ansträngningar avled bred.
David Parkers sida är nu obesegrad i sina senaste sex matcher i alla tävlingar och har vunnit sju av sina senaste nio.
Chefen för Birmingham City David Parker sa till BBC Sport:
"Det var en förstklassig display från vår sida. Jag tror att vi definitivt var den bättre sidan under hela spelet.
"Vi vet hur bra Chelsea går framåt, deras front fyra är magnifik, och vi hade stoppa dem där vi trodde att deras styrkor var.
"Hela veckan trodde jag att vi skulle slå Chelsea, så det är där vi tror att den här gruppen är."
Chelsea kapten Gilly Flaherty berättade för BBC Sport:
"Tillgodohavande till Birmingham idag. De förtjänar att vinna.
"Om du är där uppe med de bästa, måste du acceptera det trycket. Jag tror inte pressen påverkade oss idag.
"Ta inte äran från Birmingham. De var det bättre laget och de förtjänar att komma in i en semifinal."
Birmingham City: Baggaley, Carter, Mannion, Harrop, Allen, Linnett, Carter (c), Potter, Lawley, Westwood, Windell.
Ämnen som inte används: Sargeant, Ayisi, Wellings, Torkildsen, Haines, Peplow.
Chelsea: Lindahl, Blundell, Bright (Spence 64), Flaherty (c), Fahey, Davison, Aluko (Ayane 80), Ji, Kirby, Borges, Coombs.
Subs som inte används: Chapman, Brett, Kitching.
Närvaro: 516
Domare: Mark Griffiths.
Birmingham City bedövade Kvinnors Super League En ledare Chelsea på söndag för att nå semifinalen i Kontinentalcupen.