Maria Thorisdottirs direktskott med fem minuter kvar betydde att Arsenals svit på elva raka ligasegrar definitivt var bruten. Inför över 4000 åskådare hade Arsenal tagit en tidig ledning genom Danielle van de Donk.
Beth England kvitterade efter en dryg timme mot de engelska mästarna innan den inbytta norskan kunde avgöra. Magdalena Eriksson med kaptensbindeln på armen och Jonna Andersson spelade hela matchen.
Segern betyder att Chelsea efter fyra omgångar är obesegrade och ligger tvåa i Womens Super League, två poäng bakom Manchester City.