Liverpool hade gått förlustfria i 15 matcher och toppar Premier League.
Men på bortaplan mot Arsenal fick de stryk. Gästerna, som saknar skadade Mohamed Salah, fick inte till något vidare spel och kvitterade turligt via ett självmål i slutet av första halvleken.
– Det var ett bakslag att släppa in det målet. Vi gjorde en bra halvlek och vi fick gå ut och ge allt vi hade. När man kämpar om titeln är alla matcher så viktiga, säger Arsenals mittfältare Declan Rice.
I andra halvlek vände lyckan då Alisson och Virgil van Dijk hamnade i ett missförstånd som skänkte 2–1 till Martinelli och Arsenal.
– En gåva från ligans bästa målvakt och mittback. Liverpool kan nog inte tro att det är sant, säger den engelska tv-experten Gary Neville.
Segern innebär att Arsenal klättrar till en andraplats i ligan, blott två poäng bakom Liverpool.
Manchester City har två matcher mindre spelade och ligger fem poäng bakom Liverpool.
Premier League
Arsenal
3 - 1
