Alexis Sanchez drog fördel av Gary Cahills misstag att köra klart och lyfta en komponerad finish över Thibaut Courtois efter 11 minuter, och Theo Walcott avslutade ett lysande drag att styra i Hector Bellerins pass tre minuter senare.
Mesut Ozil lämnade sedan N'Golo Kante för att avslöja Chelsea på motattacken och styra hem Arsenal tredje fem minuter före pausen, efter ett utbyte med Sanchez.
Det var lite mer än skadebegränsning för Chelsea efter att som de föll till sin andra ligan förlust i rad som rasande Arsenal flyttade tredje i tabellen.
Arsenal, för alla Chelseas uppenbara svagheter, var helt enkelt oåtkomligt från bak till fram i en magnifik första 45 minuter som återupplivade minnen av deras finaste dagar.
Gunners visade takt, skicklighet, pressade Chelsea till underkastelse och sonderade svagheter hänsynslöst på ett sätt som ett lag på toppen av sitt spel.
Arsenals fans, så ofta frustrerade och har redan uttryckt sitt missnöje hemma den här säsongen, lämnade Emirates Stadium med en vår i deras steg och dela den optimism uttryckt av manager Arsene Wenger.
Han skrev i sitt program: "Det känns som om vi är på väg upp."
Detta var en föreställning som talade vältaligt på uppdrag av Wenger teori - med proviso Gunners fans har hört detta tal innan bara för att bli besviken.
Detta var dock en magnifik utställning av makt, tempo och slutprodukt, från färdigheter Sanchez och Ozil i attack till blixten hastighet och hantering av Bellerin på baksidan.
Det var lika komplett en Arsenal performance som de har levererat under en tid. Kan de bygga på den plattform som lagts av denna lysande 90 minuter?
Chelsea såg en gammal och avtrubbad sida när de stod inför Liverpools intensiva, aggressiva tillvägagångssätt vid Stamford Bridge förra veckan, deras första förlust under Antonio Conte.
Detta var, utan tvekan, en ännu mer upprörande erfarenhet och en skarp illustration av det arbete som italienaren måste göra för att återuppliva Chelsea.
Conte kommer att känna till de påtryckningar som kommer med att hantera under krävande ägare Roman Abramovich, men den man som imponerade så mycket som ansvarig för Juventus och Italien måste få tid att ta itu med så många problem.
Chelsea förlitar sig fortfarande så starkt på 35-årige kapten John Terry, ute skadad här, medan delar av sidan som såg så stark vinna titeln säsongen innan senast rasar.
Branislav Ivanovic hade ett eländigt spel men det var ännu värre för England försvarare Cahill, som var ansvarig för Sanchez öppnare och även inblandade i en arm-waving spat med Courtois efter ett sammanbrott i kommunikationen i andra halvan
Kante har inte den energi och det stöd han hade i mittfältet vid Leicester City, med Nemanja Matic arbetande och Cesc Fabregas ur takten och ersättande. Hjälten i förra säsongens titel seger lämnades spårande i Ozils kölvatten för Arsenal tredje.
Eden Hazard har gått tillbaka igen medan Diego Costas enda allvarliga bidrag var att föra ett nytt krig mot världen.
Conte har med andra ord ett stort jobb att sköta.
När Sanchez och Ozil är på det här humöret är Arsenal ett hot mot vem som helst. Paret är i världsklass när de var på toppen av sina krafter - och de var verkligen här.
Sanchez skyndade Cahill in i en panik inför ett härligt komponerat chip för Arsenal första, och han och Ozil kombinerade för att lämna Chelseas försvar generad som den senare gjorde den tredje.
Arsenal var enastående i alla områden - men Sanchez och Ozil förutsatt att den slutliga blomstrar med den typ av klass som gör dem centrala figurer i alla Wenger försöker uppnå denna säsong.
Arsenal boss Arsene Wenger sade: " Det var en enastående lagföreställning. Vi spelade med ande och kollektiv takt och rörelse, alltid på ett positivt och engagerat lag sätt.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Våra försvarare har gjort oerhört bra ifrån sig. Man kan inte säga att en spelare inte var på rätt nivå från Petr Cech till Alexis Sanchez.
"Vi ville börja starkt i hög takt och engagerat. Vi började vibbla de första 20 minuterna mot Southampton. Vi ville vara konsekventa i våra påtryckningar oavsett poängen. Vi gjorde det mycket bra i första halvlek. Det var in och ut i den andra, vilket var förståeligt.
"Idealiskt du vill ha det perfekta spelet och du aldrig får det. Vi fick nästan den perfekta första halvan och det är inte dåligt. Fotboll bryr sig inte om historia och årsdagar, bara resultatet på dagen. Idag hade vi en bra föreställning."
Chelsea manager Antonio Conte sade: " Jag tror att vi inte hade rätt inställning från första stund.
"Efter idag tänker vi att vi måste arbeta mycket eftersom vi är ett bra team bara på papper. Det är alltid ett lag problem snarare än individer, När ingenting fungerar är det mycket svårt för en spelare att spela bra.
Mediauppspelning stöds inte på den här enheten
"Jag vill inte prata om misstaget [från Gary Cahill]. Det är inte rätt för spelaren. Vi vinner och förlorar som ett lag. Om någon tror att det här laget är redo att slåss, tror jag att vi måste vänta på att förbättra en hel del för att komma tillbaka ett bra team på planen, inte bara på papper.
"Vi har inte fått balans och nu är det dags att överväga allt. Det är otroligt att erkänna tre mål. Vi måste ha förra säsongen närvarande för att inte upprepa misstagen. Vi måste reflektera mycket för att snart hitta rätt väg."
Arsenal deltar i Champions League-aktionen på onsdag med hemmaband mot schweizisk sida Basel (19:45 BST). Chelsea spelar inte igen förrän på lördag, när de besöker Hull i Premier League (15:00).
Matchen slutar, Arsenal 3, Chelsea 0.
Andra halvlek, Arsenal 3, Chelsea 0.
Foul av César Azpilicueta (Chelsea).
Mesut Özil (Arsenal) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Hörnet, Arsenal. Sammankallad av Marcos Alonso.
Försök missade. Pedro (Chelsea) höger fotade skott från vänster sida av lådan är hög och bred till höger. Hjälpt av Nemanja Matic.
Försök missade. Olivier Giroud (Arsenal) höger fotad skott från mitten av lådan är för hög. Hjälpt av Kieran Gibbs med ett kors.
Hörnet, Chelsea. Fångad av Petr Cech.
Försöket räddades. Michy Batshuayi (Chelsea) höger fotade skott från mitten av lådan sparas i mitten av målet. Hjälpt av David Luiz med en genomboll.
Diego Costa (Chelsea) visas det gula kortet.
Diego Costa (Chelsea). - (EN) Herr ordförande!
(Arsenal) vinner en frispark i anfallshalvan.
Försöket räddades. César Azpilicueta (Chelsea) höger fotade skott från utsidan av lådan sparas i nedre högra hörnet.
N'Golo Kanté (Chelsea) vinner en frispark på vänsterflygeln.
Foul av Granit Xhaka (Arsenal).
Substitution, Arsenal. Olivier Giroud ersätter Alexis Sánchez.
Försök missade. Granit Xhaka (Arsenal) vänster fotade skott utanför lådan är för hög. Hjälpt av Kieran Gibbs.
Offside, Arsenal. Alexis Sánchez försöker en genom boll, men Mesut Özil fångas offside.
Offside, Arsenal. Granit Xhaka försöker en genom boll, men Santiago Cazorla fångas offside.
Hörnet, Arsenal. Sammankallad av Marcos Alonso.
Ersättning, Chelsea. Michy Batshuayi ersätter Eden Hazard.
Ersättning, Chelsea. Pedro ersätter Willian.
Substitution, Arsenal. Kieran Gibbs ersätter Alex Iwobi.
Hörnet, Arsenal. Översatt av Thibaut Courtois.
Försöket räddades. Theo Walcott (Arsenal) höger fotade skott från höger sida av lådan sparas i nedre vänstra hörnet. Hjälpt av Alex Iwobi.
Foul av Diego Costa (Chelsea).
Laurent Koscielny (Arsenal) vinner en frispark i den defensiva halvan.
Försök missade. Branislav Ivanovic (Chelsea) höger fotade skott utanför lådan är för hög. Hjälpt av Willian.
Willian (Chelsea) vinner en frispark på höger vinge.
Foul av Granit Xhaka (Arsenal).
Försök missade. Diego Costa (Chelsea) huvudet från mitten av lådan missar till vänster. Hjälpt av César Azpilicueta med ett kors.
Handboll av Shkodran Mustafi (Arsenal).
Hörnet, Arsenal. Förföljd av Branislav Ivanovic.
Försök missade. Granit Xhaka (Arsenal) vänster fotade skott utanför lådan missar till höger. Hjälpt av Mesut Özil.
Ersättning, Chelsea. Marcos Alonso ersätter Cesc Fàbregas.
Offside, Chelsea. Cesc Fàbregas försöker en genom boll, men Eden Hazard fångas offside.
Offside, Arsenal. Alexis Sánchez försöker en genom boll, men Mesut Özil fångas offside.
Offside, Chelsea. Gary Cahill försöker en genom boll, men Diego Costa fångas offside.
Offside, Arsenal. Nacho Monreal försöker en genom boll, men Alex Iwobi fångas offside.
Andra halvan börjar Arsenal 3, Chelsea 0.
Arsenal producerade en förödande första hälften visning för att demontera Chelsea och säkra en fjärde på varandra följande Premier League seger.