Första mötet mellan lagen slutade 0-0 på Stamford Bridge. I kvällens returmöte i norra London var det Chelsea som inledde bäst och tog ledningen i den sjunde minuten genom mål av Eden Hazard.
Bara fem minuter senare skulle dock Arsenal kvittera. Nacho Monreal nådde högst på en hörna och fick till en nick som styrdes på både Marcos Alonso och Antonio Rudiger och blev till ett dråpligt självmål för Chelsea till 1-1.
I den andra halvleken skulle Arsenal fullborda sin vändning då den schweiziske landslagsmannen Granit Xhaka pangade in bollen bakom Willy Caballero i den 60:e minuten till 2-1, vilket också blev slutresultatet.
Segern gör att Arsenal går till final i ligacupen. Där väntar Manchester City, som i går slog ut Bristol City efter totalt 5-3 över två matcher. Finalen spelas på Wembley 25 februari.
Startelvor:
Arsenal: Ospina, Bellerin, Mustafi, Koscielny, Monreal, Elneny, Xhaka, Wilshere, Özil, Iwobi, Lacazette.
Chelsea: Caballero, Rudiger, Alonso, Kante, Hazard, Pedro, Bakayoko, Moses, Willian, Christensen, Azpilicueta.