Spaniens Marta Corredera lockade in värdarna i en tidig ledning innan Englands anfallare Dan Carter fördubblade deras ledningsmoment senare.
Alex Scott gjorde det 3-0 direkt efter halvtid, innan Kirsty Linnett drog en tillbaka för besökarna.
Trefaldiga vinnare Arsenal möter nu Notts County Ladies i finalen på Rotherham den 1 november.
I en upprepning av 2011 och 2012 finalen, Arsenal gjorde en energisk start och Carter slog crossbaren innan Correderas söta strejk från kanten av området öppnade poäng.
Carter tävlade klart, en mot en med Sophie Baggeley, och lugnt lobbade över Birmingham målvakt.
Blues svarade bra på fallande två mål bakom men Karen Carneys avböjda skott vändes på ett inlägg av Sari Van Veenendaal, och studsade tillbaka över ansiktet av mål och klart.
Efter pausen gjorde Arsenal segern säker med Scotts kraftfulla finish, innan Linnetts välskötta tröst.
I en dålig tempererad andra halvlek, borrade Carter brett efter en fantastisk knock-down från Jordan Nobbs sent, men en två-mål kudde var tillräckligt för att se Arsenal igenom.
Arsenal manager Pedro Martinez Losa berättade för BBC Sport:
"Vi har börjat spel bra. Jag är mycket nöjd med det.
"Den bästa känslan idag är att erbjuda fans segrar i de senaste tre hemmamatcher av säsongen. Jag är stolt över spelarna, personalen och laget.
"Detta är belöningen för allas ansträngningar. Vi måste göra allt som står i vår makt mellan nu och finalen för att förbereda oss."
Birmingham manager David Parker berättade för BBC Sport:
"Arsenal var den bättre sidan i första halvan, det har vunnit dem spelet.
"Defensiva fel och misstag under de första 20 minuterna var skillnaden.
"När vi tittade på andra halvleken, under långa, långa perioder var vi den bättre sidan och vi visade verkligen vår kvalitet."
Arsenal Ladies: Van Veenendaal, Scott (c), Stoney, Losada (Yankey), Natalia (Ubogagu), Nobbs, Carter, Williamson, Corredera, Rose, Janssen (Sampson).
Subs som inte används: Byrne, Humphrey, Kelly, Bailey.
Birmingham City: Baggaley, Sargeant, Carter, Mannion, Harrop, Allen, Linnett, Carney (c) (Wellings), Potter, Lawley, Westwood (Ayisi).
Subs som inte används: Windell, Hill, Haines, Peplow.
Domare: Nigel Lugg
Närvaro: 782
Arsenal Ladies nådde sin femte på varandra följande Continental Cup final med en 3-1 seger över Birmingham City.