Kedua gol itu cukup bagi Lukaku untuk mematahkan kutukan Stamford Bridge, setelah dalam 10 pertandingan Liga Inggris sebelumnya ia selalu gagal mencetak gol di kandang Chelsea itu.
Lukaku membuka keunggulan Chelsea pada menit ke-15 setelah menerima umpan terobosan dari Mateo Kovacic dan mengecoh Axel Tuanzebe sebelum melepaskan tembakan yang gagal diantisipasi kiper Jed Steer.
Rekrutan anyar Chelsea, Saul Niguez melakoni debut dalam pertandingan tersebut sebelum ditarik keluar digantikan Jorginho saat turun minum.
Empat menit selepas turun minum Kovacic sukses menggandakan keunggulan Chelsea saat ia sukses memotong umpan balik Tyrone Mings yang terlalu lemah dan mencuri bola lebih cepat dibandingkan Steer untuk menyarangkannya ke gawang Villa yang lowong.
Villa nyaris mencetak gol balasan pada menit ke-73 setelah Ollie Watkins berhasil menghindari hadangan Antonio Ruediger dan menyodorkan bola untuk diselesaikan Bertrand Traore, sayang tembakan berhasil dihalau oleh Thiago Silva ke atas mistar gawang.
Pada menit ketiga injury time, Lukaku mencetak gol keduanya di Stamfod Bridge menyelesaikan umpan kiriman Cesar Azpilicueta untuk melengkapi kemenangan Chelsea jadi 3-0 atas Villa.
Chelsea menanjak naik ke posisi kedua klasemen dan hanya kalah selisih gol dari Manchester United yang berada di puncak, kendati keduanya sama-sama memiliki 10 poin.
Sementara Villa (4) harus rela tertahan di urutan ke-12 setelah disalip oleh Crystal Palace (5) yang menang dalam laga lebih awal, demikian catatan laman resmi Liga Inggris.
Chelsea selanjutnya akan menjamu wakil Rusia Zenit St. Petersburg di Stamford Bridge untuk pertandingan Liga Champions pada Selasa pekan depan sebelum bertandang ke markas Tottenham Hotspur dalam Liga Inggris lima hari kemudian.
Sedangkan Villa pada Sabtu pekan depan akan menjamu Everton di Villa Park dalam upaya kembali ke jalur kemenangan.
Baca juga: Wolverhampton dan Brighton petik tiga poin, Southampton diimbangi West Ham
Baca juga: Manchester City tundukkan Leicester dengan gol tunggal