Penyerang asal Austria ini sukses mencetak gol melalui serangan balik cepat yang bermula dari akselerasi menawan Felipe Anderson.
Arsenal yang tersentak oleh gol Arnautovic langsung bereaksi dengan mencetak gol balasan lima menit berselang.
Anak asuhan Unai Emery mampu menyamakan kedudukan pada menit ke-30 lewat Nacho Monreal setelah memanfaatkan bola liar di depan gawang West Ham United.
Usai kedudukan imbang 1-1, laga berlangsung ketat dengan kedua tim saling bertukar serangan.
Meskipun begitu, tak ada gol tambahan yang tercipta hingga babak pertama berakhir.
Pada babak kedua, jalannya laga tetap didominasi oleh Arsenal.
Alexandre Lacazette yang turun di awal babak kedua menggantikan Alex Iwobi langsung mendapatkan dua peluang.
Namun, penampilan apik Lukasz Fabianski di bawah mistar gawang The Hammers menggagalkan usaha pemain asal Prancis tersebut.
Usaha Arsenal untuk menciptakan gol tambahan akhirnya membuahkan hasil pada menit ke-70 lewat bunuh diri Issa Diop.