Koulibaly anslöt till Chelsea från italienska Napoli så sent som förra sommaren.
al-Hilalss värvning är den andra från Premier League inom ett par dagar. Tidigare i veckan värvade klubben den portugisiske landslagsspelaren Rúben Neves, 26, från Wolverhampton.
Att fotbollsstjärnor byter Europa mot Saudiarabien har blivit allt vanligare det senaste halvåret.
Bland annat anslöt Cristiano Ronaldo till saudiska al-Nassr i vintras medan Karim Benzema blev klar för al-Ittihad tidigare i juni.
Den saudiska regimen – hårt kritiserad av bland annat människorättsorganisationen Amnesty för sin brist på mänskliga rättigheter – storsatsar på fotboll. Utöver att man redan äger Premier League-laget Newcastle, där svenske anfallaren Alexander Isak spelar, har man även börjat pumpa in massvis med pengar i den inhemska fotbollsligan.
Tidigare i sommar tackade Lionel Messi nej till ett jätteerbjudande från Saudiarabien för att i stället skriva på ett kontrakt med Inter Miami.