Bonne nuit,

Chef de projet, au singulier, existe : j’en ai connu deux, qui étaient  administrateurs civils et chacun chef de projet informatique pendant quelques années. Ils étaient chacun responsable d’un projet.
Dès lors, si la personne concernée est chef d’un seul projet, on écrira sa qualité au singulier ; dans le cas contraire, on l’écrira au pluriel.

La fin de votre réflexion porte en fait sur la question de savoir si le complément du nom est qualificatif ou déterminatif.
* Qualificatif : un jardin de curé (c’est un type de jardin)
* Déterminatif : le jardin du curé de Cucugnan ; le jardin de ce curé (le jardin est déterminé précisément)
Effectivement, un complément au singulier peut parfois faire penser à un complément déterminatif, avec un sens concret : ‘le’ jardin de ‘ce’ curé.
Mais un complément au singulier peut également être qualificatif : ‘un’ jardin ‘de’ curé.

Le fond de votre question porte uniquement sur le complément qualificatif, réfléchissez donc uniquement en mettant le déterminant indéfini « un » devant le premier mot, pour être certain de ne parler que du complément du nom qualificatif, qui ne tient pas compte de la réalité des projets ou des curés : un chef de… un jardin de… Le singulier est plausible.

Ce que vous soutenez, c’est qu’on dit et qu’on écrit : un marchand de tableaux, un ramasseur de poubelles, un redresseur de torts, et qu’on doit donc dire et écrire : un chef de projets.
Vous avez peut-être raison. La possibilité du pluriel emporte le pluriel si le complément a une valeur de COD (un plumeur de poulets plume des poulets).
Dans votre cas, si un chef de projet cheffe des projets (voire un seul, ou un à la fois, ou même un seul dans sa vie), il faut un pluriel, je vous rejoins. Et pour justifier un complément du nom au singulier, il faut que le complément ‘projet’ n’ait aucune connotation de COD.
C’est très plausible, car un ‘chef de partie’ (c’est le nom d’un métier) ne cheffe pas des parties.
Je pense que ‘chef de projet’ est possible, car la préposition ‘de’ n’introduit pas forcément un complément parallèle à un COD. C’est cette relation entre nom et complément du nom qui est à analyser, et je ne trouve pas de tableau en ligne des sens de ‘de’, mais je pourrai trouver si nécessaire cette liste dans un livre, à la rubrique : divers sens de la préposition ‘de’ dans une structure ‘nom + complément du nom’. Nous y trouverons le sens de la préposition ‘de’ qui permet le complément du nom au singulier : un simple sens contextuel.

« Chef de projet » est un titre (c’est-à-dire une appellation, un nom de métier) tout comme un « chef d’entreprise« , même s’il s’agit de quelqu’un qui dirige plusieurs entreprises.
Si vous voulez mettre l’accent sur la pluralité des projets, vous direz :
X, le chef de projet, dirige ces trois projets simultanément.
Ce chef d’entreprise est à la tête de cinq sociétés, dans des domaines différents.     

Merci pour vos commentaires. J’ai vu à l’OQLF (Office Québécois de la Langue Française) que les deux orthographes coexistent mais n’explique pas dans quel contexte utliser l’une ou l’autre.