I inledningen var Lukaku kraftigt markerad och kom inte till de lägen som Chelsea önskade. Zenit lyckades i stunder styra spelet, men mestadels hade hemmalaget övertaget.
Zenit bjöd på ett fint långskott i slutet av första halvlek, men det var inte svårt för Benjamin Mendy att få kontroll på. Efter det var det Chelsea för hela slanten tills pausvisslan ljöd. Mållös första halvlek mellan Chelsea och Zenit.
I andra halvlek kom Chelsea ut med mycket energi och tvingade Kritsyuk i Zenits mål till en skicklig räddning direkt. Det följdes av en imponerande soloräd av Antonio Rudiger, där han fick grepp om bollen nere vid eget straffområde och drev den enda upp till offensiv zon. Avslutet gick utanför målburen.
Men övertaget skulle ge frukt till slut. Lukaku nickade in 1-0 efter dryga timmen och säkrade därmed en viktig ledning. Målet gör dessutom 28-åringen historisk, som första belgiska spelare att göra mål i CL för tre olika klubbar.
Målet följdes upp av ett intensivt spel från Chelsea i jakt på att poängtera matchen. Det ledde inte till fler mål, men så när som på en strålande målchans höll de Zenit borta från offensivt straffområde.
Lukakus mål visade sig vara avgörande och de kan ta med sig tre viktiga poäng till gruppen.
- Jag är väldigt glad över vinsten. I dag presterade vi bättre än i helgen. Vi måste fortsätta växa. Vi visste att det skulle bli tufft men vi hade bra kontroll, säger hjälten efter mtachen enligt BBC.
De ligger nu tvåa efter Jvuentus på sämre målskillnad.
Chelsea: Mendy - Azpilicueta, Christensen, Rudiger - James, Kovacic, Jorginho, Alonso - Ziyech, Mount - Lukaku.
Zenit Sankt Petersburg: Kritsyuk - Sutormin, Chistyakov, Rakitskiy, Santos - Wendel, Barrios, Kuzyaev - Malcom, Azmoun, Claudinho.