Målet betydde 2–0 på tavlan och var Gyökeres åttonde för säsongen.
Tidigt i den första halvleken slängde han sig fram och tryckte in bollen i öppen kasse, efter en fin framspelning av 1–0-målskytten Ben White.
Målet innebar att svensken bröt en måltorka – i alla fall när det gäller mål från öppet spel.
Bröt lång torka: ”Kan göra det oftare”
Senaste gången svensken gjorde mål för Arsenal var för en knapp månad sedan, mot Everton på straff.
Men det senaste spelmålet var dock mot Burnley, den 1 november. Sedan dess har Gyökeres spelat tio matcher utan att göra mål från öppet spel.
Mot Chelsea fick svensken skriva in sig i målprotokollet igen.
– Det är vad jag behöver göra och jag kan göra det oftare. Vi vann i dag och vi ska bara fortsätta nu, säger Gyökeres till Sky Sports.
Assisterade till 3–1
I den 70:e minuten spelade Viktor Gyökeres dessutom fram till Martin Zubimendi, som satte 3–1.
Matchen slutade 3–2 till Arsenal. Svensken byttes ut i den 82:a minuten.
Onsdagens semifinal mellan lagen var det första mötet av två. Londonklubbarna möts igen den 3 februari, då på Arsenals hemmaplan Emirates Stadium.