O momento decisivo aconteceu pouco antes do intervalo no Emirates Stadium, quando Bukayo Saka marcou aos 44 minutos para decidir uma intensa meia-final frente ao Atlético de Madrid.
O extremo reagiu mais rápido a um ressalto depois de Jan Oblak defender um remate de Leandro Trossard, com Viktor Gyokeres envolvido na construção da jogada.
Com a eliminatória empatada em 1-1 após a primeira mão, o Arsenal venceu o confronto por 2-1 no agregado, embora não sem momentos de grande resistência defensiva.
O Arsenal irá agora enfrentar o PSG na final, marcada para 30 de maio, em Budapeste, enquanto procura conquistar o seu primeiro título da Liga dos Campeões.
Declan Rice fez um desarme crucial para impedir Giuliano Simeone, enquanto Gabriel Magalhães recuperou brilhantemente depois de o avançado ultrapassar David Raya.
O Arsenal teve oportunidades para aumentar a vantagem, especialmente quando Gyokeres rematou por cima da baliza dentro da área após um cruzamento do suplente Piero Hincapié, mas acabou por ser a disciplina defensiva da equipa a fazer a diferença.
A qualificação da equipa do Norte de Londres representa um passo importante depois da eliminação nas meias-finais da época passada frente ao eventual campeão Paris Saint-Germain. A última presença do clube numa final da competição aconteceu em 2006, quando perdeu para o Barcelona.