Toppmatchen på Stamford Bridge avgjordes en dryg kvart in i andra halvlek – och på ett för Chelsea pinsamt sätt.
Bukayo Saka skruvade in en högerhörna med vänsterfoten. Bollen smet förbi allt och alla och var på väg in i det bortre hörnet när mittbacken Gabriel för säkerhets skull stötte in segermålet.
Leder med två poäng
Segern innebär att Arsenal återtog serieledningen i Premier League och ett fortsatt försprång på två poäng efter 13 omgångar.
För Arsenal var det fjärde segern av fyra möjliga i möten med andra klubbar från London den här säsongen.
För Chelsea går det betydligt tyngre. Klubbens segerlösa svit i ligan är nu uppe i fyra matcher – inte den utveckling man hade hoppats på sedan Graham Potter tog över som manager.
Potter agerade omedelbart för att få fart på laget efter Gabriels mål – och det gick ut över anfallarna Pierre-Emerick Aubameyang och Kai Havertz, som hade gjort sitt för dagen.
Någon effekt fick inte bytena. Chelsea gjorde ett på det hela taget blekt intryck i derbyt.
Smäll för United
Landslagskaptenen Victor Nilsson Lindelöf spelade från start i Manchester Uniteds mittförsvar.
Han och United fick en mardrömsöppning. Redan efter elva minuter hade Aston Villa – men nye managern Unai Emery installerad – 2–0 hemma på Villa Park. Leon Bailey och Lucas Digne firade varsitt mål.
Luke Shaw gav kontakt före pausen, när hans skott rammade Jacob Ramsey. Ramsey fick revansch direkt i andra, när han bredsidade in 3–1.
Miguel Almiron lade grunden till Newcastles klara 4–1-seger borta mot Southampton. Chris Wood, Joe Willock och Bruno Guimaraes noterades för de övriga två målen.
West Ham–Crystal Palace såg ut att sluta med ett kryss men i den fjärde tilläggsminuten avgjorde Michael Olise dagens andra Londonderby och gav Palace segern med 2–1.
Kulusevski tillbaka
Efter sitt skadeuppehåll satt Dejan Kulusevski på bänken hemma mot Liverpool på Tottenham Hotspur Stadium.
Landslagsstjärnan var ett välkommet tillskott för tränaren Antonio Conte med tanke på att offensiva pjäser som Son Heung-Min, opererad för en fraktur i ansiktet, och Richarlison saknas.
Mohammed Salahs två mål före pausen gav Tottenham en mastig uppförsbacke. Salahs andra mål tillkom efter ett grovt misstag av Eric Dier, vars bakåtnick serverade egyptiern fritt fram.
I 69:e minuten kom Kulusevski in för Ryan Sessegnon – minuten senare serverade svensken Harry Kane till reduceringsmålet.
Tottenham tryckte på för en kvittering, men den kom inte i en match där Ivan Perisic träffade ribban två gånger. Tottenham fick se Newcastle passera i tabellen och ta över tredjeplatsen.
Segern var Liverpools första utanför Anfield i ligan den här säsongen.