Arsenal fick en bjudning direkt, när Jan Vertonghen fick hjärnsläpp efter ett par minuter och slog iväg en hörna med handen. Pierre-Emerick Aubameyang rullade enkelt in 1-0 från elva meter.
Men Tottenham skulle vända efter en halvtimme. Först skarvade Eric Dier in 1-0 på en frispark av Christian Eriksen innan Tottenham fick en straff, då för att domaren uppfattat att Son fällts i straffområdet.
Harry Kane gjorde det han skulle och satte bollen distinkt från straffpunkten.
Med underläge i halvtid ville Unai Emery hitta på något och bytte in både Alexander Lacazette och Aaron Ramsey efter pausen.
- Jag kände att vi behövde något annat på planen. Framförallt var situationen det som gjorde att jag kände att jag behövde göra det, säger Emery enligt BBC.
Draget skulle visa sig vara väldigt lyckat, då duon skulle vara inblandade i målen som vände matchen i Arsenals fördel.
Först spelade Ramsey fram Aubameyang som gjorde sitt andra mål för matchen med ett välplacerat direkt skott från kanten av straffområdet. Sedan snodde Ramsey bollen av Foyth och spelade fram Lacazette som vände innan han med hjälp av en touch från Eric Dier lyckades få in bollen vid ena stolpen.
Två minuter efter 3-2 punkterade Lucas Torreira matchen med sitt första mål i Arsenaltröjan. Mittfältaren fick djupledsboll av Aubameyang och kunde trycka in det fjärde målet för Arsenal med ett hårt skott ur snäv vinkel.
- Du kan alltid se i andra halvlek, att vi spelar bra för att vi inte ger upp. Det är vår mentalitet, säger Aubameyang efter matchen enligt BBC.
Som att förlusten inte vore nog fick Tottenham även Vertonghen utvisad, efter att mittbacken fått sitt andra gula kort då han stämplade Lacazette över ankeln.
- Jag var besviken över målen vi släppte in, även om Arsenal förtjänar beröm gjorde vi många mistag. I den här typen av matcher spelar de små detaljerna stor roll och kan vända matchen till det ena eller andra laget, säger Tottenhamtränaren Mauricio Pochettino enligt BBC.
Resultatet gör att Arsenal går om Tottenham och tar över fjärdeplatsen i Premier League på bättre målskillnad.
Startelvor:
Arsenal: Leno - Sokratis, Holding, Mustafi - Bellerin, Xhaka, Torreira, Kolasinac - Mkhitaryan, Aubameyang, Iwobi
Tottenham: Lloris - Aurier, Vertonghen, Foyth, Davies - Dier - Alli, Sissoko - Eriksen - Son, Kane