Chelsea kunde säkra första platsen i sin Champions League-grupp, och därmed bli seedat i lottningen inför slutspelet, inför den avslutande gruppspelsmatchen borta mot Zenit vid seger.
Och på Gazprom Arena fick Londonklubben en drömstart. Redan i andra minuten var Timo Werner påpasslig i straffområdet och kunde stöta in en hörna från nära håll.
Gästernas ledning stod sig till slutskedet av första halvlek - då vaknade Zenit till. I 38:e matchminuten nickade Claudinho in 1-1 och bara tre minuter senare förvaltade Sardar Azmoun en sylvass kontring - vilket fullbordade vändningen.
2-1 stod på resultattavlan när båda lagen gick till halvtidsvilan, men kort efter paus kvitterade Chelsea. Mason Mount kombinerade sig snyggt fram i planen och serverade Romelu Lukaku som kunde rulla in bollen i öppet mål.
I slutminuterna återtog Chelsea ledningen. Timo Werner fick bollen i straffområdet, vek inåt i planen och placerade in 2-3 samt sitt andra mål för kvällen. Tysken såg då ut att bli matchhjälte - men på övertid kvitterade gästerna till 3-3 efter att Magomed Ozdojev fått till en kanonträff på volley.
- Om du är tränare för Chelsea och vi släpper in sex mål på två matcher samt tappar ledningen fyra gånger, då har jag inga ambitioner att prata om att individuella prestationer inte var så bra. Ingen kan vara glad efter den här matchen, ingen, säger Thomas Tuchel på presskonferensen efter matchen enligt Uefa.
- Den tekniska nivån är otroligt hög, så man behöver göra sina aktioner på den högsta nivån. Om du inte gör det och tänker att "det här borde räcka" så blir man straffade eftersom nivån är så hög, och det är vad som hände i dag.
Matchen slutade 3-3, ett poängtapp för Chelsea som betydde att Londonklubben tappade gruppsegern till Juventus, som samtidigt besegrade Malmö FF med 1-0 under kvällen. För Zenit väntar spel i Europa League i vår.
Startelvor:
Zenit: Kerzjakov - Karavajev, Lovren, Santos - Barrios - Malcom, Kuzjaev, Wendel, Claudinho - Azmoun.
Chelsea: Arrizabalaga - Azpilicueta, Christensen, Sarr - Hudson-Odoi, Barkley, Níguez, Mount, James - Lukaku, Werner.