Den 32-årige brasilianaren spelade för Chelsea 2010-2014, innan han lämnade klubben för franska Paris Saint-Germain.
Där spelade han tre säsonger, varav de två sista var under tränaren Unai Emery.
”En enorm erfarenhet”
Nu återförenas Luiz med honom. I kväll blev det nämligen klart att han lämnar Chelsea, som han återvände till i augusti 2016.
– David har en enorm erfarenhet, och jag ser fram emot att arbeta med honom igen. Han är en välkänd spelare och kommer att tillföra styrka till vårt försvar, säger Emery i ett uttalande på Arsenals hemsida.
Enligt diverse uppgifter betalar Arsenal ungefär 90 miljoner kronor för Luiz.
Vänsterback också klar
Tidigare under kvällen stod det klart att vänsterbacken Kieran Tierney, 22, lämnar Celtic för Arsenal för 25 miljoner pund, drygt 290 miljoner kronor. Därmed blev han den dyraste spelaren som lämnat den skotska ligan.
– Vi är mycket nöjda med att Kieran ansluter till oss, sade Emery till Reuters.
Sent på torsdagen meddelades även att den offensive yttern Alex Iwobi lämnar Arsenal. 23-åringen är klar för Everton och har skrivit på ett femårskontrakt.
Iwobi, som har gjort 36 landskamper för Nigeria, lämnar enligt BBC för en summa på 34 miljoner pund, runt 400 miljoner svenska kronor.