22 января 2018 года официальный сайт лондонского «Арсенала» объявил о переходе Мхитаряна в обмен на Алексиса Санчеса. Мхитарян заключил долгосрочный контракт, условия которого не разглашались. В новой команде взял 7-й номер, ранее принадлежавший Санчесу. Дебютировал 30 января в игре против «Суонси» (1:3), выйдя на замену на 60-й минуте вместо Мохаммеда эль-Ненни.
3 февраля дебютировал в основном составе в матче против «Эвертона» и отдал 3 голевые передачи.
8 марта 2018 года, забил свой первый мяч в майке «Арсенала» в ⅛ Лиги Европы против «Милана» и стал лучшим игроком матча.
Свой первый гол в Премьер-лиге за «Арсенал» забил 11 марта 2018 года в матче против «Уотфорда». В этом же матче отдал голевую передачу на Пьера-Эмерика Обамеянга. 29 апреля забил гол в ворота своей бывшей команды — «Манчестер Юнайтед».