Med et effektivt minut i anden halvleg scorede Newcastle to kasser og gik fra 1-1 til 3-1, inden Anthony Gorden hen mod slutningen øgede til slutresultatet 4-1.
Sejren bringer Newcastle tilbage på sporet, efter at holdet var gået til landskampspause med to nederlag i træk. Det nordengelske mandskab indtager Premier Leagues sjetteplads.
Chelsea er med nederlaget syv point efter Newcastle og ligger i midten af tabellen på en tiendeplads.
Newcastle fik en optimal start på kampen, da den svenske angriber Alexander Isak sendte hjemmeholdet i front.
I midten af anden halvleg svarede Chelseas Raheem Sterling igen, da han flot krøllede et frispark op i hjørnet til 1-1.
Det var en intens kamp med mange dueller mellem de to holds spillere, der hele tiden lå på vippen til at gå over stregen.
Intensiteten fortsatte ind i anden halvleg, hvor kampen bølgede frem og tilbage, inden Newcastle på et minut ændrede kampbilledet.
Først sendte Jamaal Lascelles hjemmeholdet i front, inden Chelseas Thiago Silva minuttet efter lavede en kæmpe fejl, som Newcastles Joelinton udnyttede kynisk til 3-1.
Det slog luften ud af Chelsea, der efterfølgende mistede modet.
Med små 20 minutter tilbage fik gæsterne endnu en mavepuster, da Reece James blev sendt tidligt i bad med sin anden advarsel.
Derfra var Newcastle i fuld kontrol og havde flere gode muligheder.
I kampens afslutning blev føringen også større, da Anthony Gordon udnyttede et passivt Chelsea-forsvar og gjorde det til slutresultatet 4-1.
Andetsteds i Premier League fik danske Joachim Andersen fuld spilletid for Crystal Palace, der skuffende tabte 1-2 på udebane til oprykkeren Luton. Det var blot Lutons anden sejr i sæsonen.