Le gardien David Raya n'avait plus vu ses filets trembler depuis fin septembre quand Nick Woltemade avait offert un but de consolation à Newcastle (2-1) en championnat.
Dan Ballard (36e, 1-0) et Brian Brobbey (90e+4, 2-2) lui ont fait revivre cette difficile expérience, après huit matches toutes compétitions confondues sans le moindre accroc défensif.
Entre ces deux buts, Arsenal pensait avoir fait le plus dur en renversant son hôte grâce au capitaine Bukayo Saka (54e, 1-1) et à l'autre ailier Leandro Trossard (74e, 1-2), auteur d'un tir splendide sous la barre.
Double occasion
Les Gunners restent confortables leaders de Premier League, loin devant le dauphin Manchester City (2e, 19 pts) et le tenant du titre Liverpool (5e, 18 pts), adversaires dimanche en conclusion de la 11e journée.
Mais il ne faudra pas trembler après la trêve internationale au moment de recevoir le voisin et grand rival Tottenham (4e, 18 pts). Les Spurs ont, comme eux, laissé filer la victoire dans le temps additionnel contre Manchester United (2-2) samedi.
Sunderland reste accroché sur le podium en attendant la suite du week-end après sa performance remarquable contre Arsenal, géant du championnat qu'il a longtemps muselé.
Offensivement, les visiteurs n'ont pas eu grand-chose à se mettre sous la dent avant la mi-temps, si ce n'est une reprise de William Saliba partie dans les airs (45e+3). Ils ont été bien plus menaçants après.
Saka a égalisé après un ballon récupéré par Declan Rice dans les pieds d'Enzo Le Fée (54e), Martin Zubimendi a tiré sur la barre transversale (65e) et Trossard a envoyé un missile en-dessous (74e).
Au bout du temps additionnel, Arsenal a buté sur le gardien Robin Roefs puis sur Ballard dans la même action (90e+7).