Le finaliste de l'édition 2022/2023 s'est imposé dans la capitale britannique grâce à Alexander Isak (37e, 0-1), son buteur en grande forme, et Anthony Gordon (51e, 0-2).
Newcastle n'avait plus gagné chez Arsenal, toutes compétitions confondues, depuis novembre 2010 et une victoire 1-0 en Premier League acquise sur un but d'Andy Carroll.
A l'Emirates, les "Magpies" avaient même perdu douze des treize duels disputés ensuite, et obtenu seulement un match nul dans cette interminable série.
Le succès signé mardi, sans des cadres comme Bruno Guimaraes et Fabian Schär (suspendus), rapproche Eddie Howe et son équipe de la finale prévue le 16 mars à Wembley.
Arsenal aura néanmoins une chance de renverser la vapeur avec la demi-finale retour, le 5 février, à St James' Park.
Les Londoniens ont marqué leur territoire durant la majeure partie d'une rencontre très engagée, avec une nette possession du ballon et le plus grand nombre d'occasions franches.
Mais les partenaires de Gabriel Martinelli, qui a tiré sur un poteau (29e), ont fait les frais des quelques courants d'air qui ont traversé leur défense, pourtant la meilleure du championnat (18 buts encaissés en 20 matches).
L'homme qui les a mis à terre, Alexander Isak, est aussi ce qui manque parfois cruellement aux "Gunners": un avant-centre clinique, capable de marquer ou faire marquer à chaque instant.
Le Suédois de 25 ans a hérité du cuir sur un ballon dévié par son coéquipier Jacob Murphy après un long coup franc du gardien Martin Dubravka, et il a inscrit en force son dixième but en neuf matches.
Au milieu de trois adversaires, ensuite, il est parvenu à déclencher un tir que David Raya n'a pu que repousser, dans la direction de Gordon.
Arsenal met derrière lui une série de treize matches sans défaite (neuf victoires et quatre nuls), quand Newcastle étire sa série actuelle à sept victoires, le tout avec vingt buts inscrits contre deux encaissés.
Tottenham et Liverpool s'affrontent mercredi (21h00) à Londres dans l'autre demi-finale aller.