Londonlaget kom till spel stärkta av storsegern mot Bate Borisov i Europa League tidigare i veckan. Men borta mot Southampton fick man en riktig mardrömsstart.
Charlie Austin gav hemmalaget ledningen redan efter två minuters spel. Arsenal jobbade sig in i matchen successivt men förmådde inte att spräcka Fraser Forsters nolla.
Då klev Olivier Giroud in i handlingen. Fransmannen ersatte sin landslagskollega Alexander Lacazette i den 72:a minuten och knappt en kvart senare ordnade han kvitteringen för Arsenal. Han serverades av Alexis Sanchez inne i straffområdet och nickade in 1-1 med bara minuter kvar att spela.
Det blev också matchens sista mål. Arsenal går därmed upp på en delad femteplats i Premier League, med lika många poäng som Burnley och rivalen Tottenham.
Tungt poängtapp för Southampton som nu spelat tre raka matcher utan seger.
Startelvor
Southampton: Forster - Stephens, Van Dijk, Yoshida, Bertrand - Höjbjerg, Romeu, Ward-Prowse - Tadic, Redmond, Austin.
Arsenal: Cech - Koscielny, Mertesacker, Monreal - Bellerin, Ramsey, Xhaka, Kolasinac - Özil, Sanchez - Lacazette.