Inför onsdagens derby var Nketiah bara noterad för 256 minuter fördelat på 14 Premier League-matcher den här säsongen.
I 0–1-förlusten mot Southampton senast fick 22-åringen chansen från start, något som upprepades mot Chelsea.
Nketiah tackade tränare Mikel Arteta för förtroendet – och Chelseas Andreas Christensen för bjudningen.
Den danske mittbacken svarade för en svag hemåtpass, Nketiah hann först till bollen och skickade därefter in 1–0 för bortalaget i den 13:e minuten, 22-åringens första ligamål för säsongen.
Straff på tilläggstid
Det var början på en mindre målexplosion.
Timo Werner gjorde 1–1 i 17:e, Emile Smith Rowe 2–1 till Arsenal i 27:e – innan César Azpilicueta återigen kvitterade för hemmalaget.
Men det här var Nketiahs kväll.
Drygt tio minuter in på den andra akten gjorde 22-åringen sitt andra mål för kvällen – tack vare både skicklighet och tur i form av en fin vändning och flipperspel som ledde fram till målet.
Målet var kvällens näst sista. Bukayo Saka punkterade tillställningen när han gjorde 4–2 från straffpunkten på tilläggstid.
Tajt om CL-platserna
Så sent som på tisdagen uppgav The Athletic att Eddie Nketiah kommer vänta med kontraktserbjudandet som Arsenal kommit med. Anfallarens avtal går ut den sista juni och anledningen till att han tvekar över en fortsättning stavas speltid.
4–2-segern gör att Arsenal i allra högsta grad fortsatt är med i racet om en Champions League-plats nästa säsong. Arsenal är femma med 57 poäng på kontot, samma poäng som tabellfyran Tottenham. Chelsea står i sin tur på 62 poäng men har en match mindre spelad (31 spelade matcher) jämfört med de båda stadskonkurrenterna.
City upp i topp
Ytterligare tre matcher spelades i Premier League den här kvällen.
Manchester City tog tillbaka serieledningen efter 3–0 hemma mot Brighton, en poäng skiljer City och Liverpool åt.
Vidare besegrade Newcastle, med Emil Krafth från start, Crystal Palace hemma med 1–0. På annat håll tog Everton en viktig poäng i bottenstriden efter att ha kvitterat sent, 1–1, hemma mot Leicester. Everton är fyra poäng ovanför nedflyttningsstrecket.