59 042 personer hade tagit plats på Emirates för att se derbyt – ett nytt rekord i Super League, rapporterar Sky Sports.
Beth Mead, tillbaka från långtidsskada, gav Arsenal ledningen efter åtta minuter.
Kort senare kontrade Chelsea och Johanna Rytting Kaneryd överraskade målvakten med ett avslut tätt intill första stolpen.
Strax före halvtid fick Arsenal hörna och där är Amanda Ilestedt vass. Så även denna gång och mittbacken knoppade in 2–1.
Alessio Russo rundade av målskyttet med dubbla mål.
Arsenal är tvåa i ligan, nu på samma poäng som Chelsea fast med sämre målskillnad.