Летом 2004 года перешёл в «Ювентус» за 6,5 миллионов евро. Клуб продал 50% прав на игрока «Фиорентине» за 3,5 миллиона евро, и в составе «фиалок» он на высоком уровне отыграл весь сезон 2004/05, после чего был выкуплен «Ювентусом» за 4,3 миллиона евро. Первый сезон в составе «Ювентуса» Кьеллини являлся игроком ротации, а команда сумела стать чемпионом Италии. Однако вскоре после окончания сезона разразился скандал с договорными матчами под названием «кальчополи», в результате которого «Ювентус» был отправлен в Серию В и лишён титула, а ряд лидеров покинули клуб. Это позволило Кьеллини закрепиться в роли основного левого защитника команды, а его игра позволила клубу уже на следующий год вернуться в элиту итальянского футбола. 12 октября 2006 года Кьеллини продлил контракт с «Ювентусом» на улучшенных условиях (ещё он продлевал контракт в 2008 и 2010 годах). В скором времени Кьеллини стал одним из лидеров и старожилов команды. В сезоне 2007/08 был переведён главным тренером Клаудио Раньери в центр защиты с левого фланга в связи с нехваткой центральных защитников. После этого он окончательно переквалифицировался в центрального защитника, выступая преимущественно на этой позиции. Кьеллини трижды признавался лучшим защитником Серии A 2008, 2009, 2010 годов по версии Итальянской ассоциации футболистов (Migliore difensore AIC). После того как главным тренером «Ювентуса» был назначен Антонио Конте, команда вернула себе чемпионский титул, который ей удавалось защищать на протяжении семи последующих сезонов. Кьеллини при этом стал одним из основообразующих игроков команды, образовав вместе с голкипером Джанлуиджи Буффоном и защитниками Леонардо Бонуччи и Андреа Бардзальи одну из самых надёжных оборонительных линий не только в Серии А, но и в мире. Во многом благодаря их игре «Ювентус» сумел не только стать гегемоном итальянского футбола, но и вернуться на ведущие позиции в международных турнирах, дважды доходя до финала Лиги чемпионов в 2015 и 2017 годах (оба они, однако, были проиграны). После ухода Буффона из команды летом 2018 года капитаном «Ювентуса» автоматически стал Кьеллини. Отыграв в этом качестве один сезон, он получил тяжёлую травму колена в августе 2019 года и выбыл из строя на полгода.