Nel 2009 approdò al Chelsea, dove nei primi due anni lavorò con la squadra riserve; in questa fase collaborò con André Villas-Boas il quale, quando nel 2011 divenne il tecnico dei "blues", la promosse a responsabile dell'intera area medica del team londinese. Dopo la fine dell'esperienza del tecnico portoghese, venne confermata nel suo ruolo anche dai successori Roberto Di Matteo, Rafael Benítez e José Mourinho. Nel corso della stagione 2014-2015 Carneiro ricevette insulti sessisti da parte dei tifosi di Arsenal, Manchester City e Manchester United.