Ole-Gunnar Solskjaer vann därmed sin åttonde raka match sedan han tog över som tränare i Manchester United för en dryg månad sedan.
Bortalaget United grundlade segern genom två mål på två minuter i den första halvleken. Först gjorde tidigare Arsenal-spelaren Alexis Sanchez 1-0 innan Jesse Lingard utökade ledningen kort därpå.
Arsenal reducerade genom Pierre-Emerick Aubameyang strax före halvtid, men kom inte närmare än så. Anthony Martial avgjode med sitt 3-1 mål i den 82:a minuten efter en målvaktsretur och tog United vidare till åttondelsfinal.
Eliasson avgjorde med drömmål
I kvällens andra FA-cupmatch blev en svensk stor hjälte. Bristols Niclas Eliasson satte avgörande 2-1 efter en halvtimme i mötet med Bolton. Efter ett par överstegsfinter vek mittfältaren både höger och vänster, innan han hittade tillräckligt med yta för att placera in bollen i krysset.
Championship-klubben Bristol är därmed också vidare till åttondelsfinal.
FA-cupen
Arsenal
1 - 3
Manchester United
Första halvlek
- MustafiPapastathopoulos21'
- 31'0 - 1Sánchez
- 33'0 - 2Lingard
- 1 - 2P. Aubameyang43'
Andra halvlek
- Koscielny54'
- ÖzilIwobi64'
- GuendouziKoscielny64'
- 68'A. Young
- 72'RashfordR. Lukaku
- 72'MartialSánchez
- 76'Lingard
- 82'1 - 3Martial
- Kolašinac86'
- 86'Rashford
- 88'JonesLingard
- Guendouzi90'+1'