Gnabry yang sebelumnya memperkuat klub [[VfB Stuttgart]] junior menyetujui kesepakatan senilai £ 100,000 dengan klub Liga Utama Inggris Arsenal pada 2010. Sesuai regulasi transfer, ia harus menunggu sampai 2011 ketika genap berusia 16 untuk bergabung dengan tim Inggris tersebut.<ref>{{cite news | url=http://www.standard.co.uk/sport/football/serge-gnabry-the-latest-arsenal-young-gun-who-has-a-chance-to-fire-8179972.html | title=Serge Gnabry the latest Arsenal young gun who has a chance to fire | work=London Evening Standard | date=26 September 2012 | accessdate=28 September 2012 | author=Olley, James}}</ref><ref>{{cite web|last=Sanderson|first=Jamie|title=Arsenal Agree Deal With Stuttgart For Gnabry|url=http://younggunsblog.co.uk/2010/08/arsenal-agree-deal-with-stuttgart-for-gnabry/#.UGOCLqSXSMU|work=YoungGuns|accessdate=26 September 2012}}</ref> Gnabry resmi bergabung dengan Arsenal untuk musim 2011 -12 di mana ia bermain untuk U-18 pada sebagian besar musim ini. Namun setelah penampilan mengesankan, Gnabry kemudian dipromosikan ke tim cadangan.<ref name=2011-12season>{{cite web|title=2011/12 Player Review: Serge Gnabry|url=http://www.arsenal.com/news/news-archive/2011/12-player-review-serge-gnabry|work=Arsenal Football Club|accessdate=26 September 2012}}</ref>. Pada akhir musim , Gnabry telah memainkan enam pertandingan dan mencetak dua gol.<ref name=2011-12season/>
Musim 2012-13 dimulai dengan baik untuk Gnabry setelah ia dipanggil ke tim pertama Arsenal untuk laga pra-musim melawan [[FC Köln]] di mana ia bermain di menit 24 pada babak pertama dan kemudian digantikan oleh [[Marouane Chamakh]] di menit ke-69.<ref>{{cite web|last=Clarke|first=Richard|title=FC Cologne 0–4 Arsenal|url=http://www.arsenal.com/match-menu/3523075/first-team/fc-cologne-v-arsenal?tab=report|work=Arsenal Football Club|accessdate=26 September 2012}}</ref> Gnabry kemudian membuat debut profesional pertama untuk Arsenal pada tanggal 26 September 2012 melawan [[Coventry City]] di Piala Liga di mana ia masuk pada menit ke-72 menggantikan [[Alex Oxlade-Chamberlain]] saat Arsenal mengalahkan Coventry 6-1.<ref>{{cite web|last=Clarke|first=Richard|title=Arsenal 6–1 Coventry City|url=http://www.arsenal.com/match-menu/173382/first-team/arsenal-v-coventry-city?tab=report|work=Arsenal Football Club|accessdate=26 September 2012}}</ref> Pada 20 Oktober 2012 ia membuat debut Premier League dalam kekalahan 1-0 melawan [[Norwich City]] di Carrow Road , menjadi pemain termuda ketiga Arsenal dalam sejarah liga , setelah [[Jack Wilshere]] dan [[Cesc Fabregas]]. Empat hari kemudian , ia membuat debut di [[Liga Champions]], yang datang sebagai pengganti pada kekalahan kandang 2-0 Arsenal atas [[FC Schalke 04]].
Pada tanggal 25 Maret 2013, Gnabry mencetak satu-satunya gol dalam kemenangan 1-0 atas CSKA Moskow U19s di perempat final NextGen Series.<ref name=arsenal1-0cskamoscow>{{cite web|title=NextGen Series: Arsenal 1-0 CSKA Moscow|url=http://www.arsenal.com/match/report/1213/post/nextgen/nextgen-arsenal-0-0-cska-moscow|work=Arsenal|accessdate=26 March 2013}}</ref> Di semifinal NextGen Series , ia mencetak gol akhir melawan Chelsea U19 untuk menyamakan kedudukan 3-3, yang akhirnya Arsenal kalah 4-3 di waktu tambahan. Dalam pertandingan berikutnya pada 8 April 2013, Gnabry mencetak gol melawan Liverpool U21 dalam hasil akhir 3-2 untuk kemenangan Arsenal U21.
Pada pertandingan pertama musim 2013-14, Gnabry termasuk dalam skuad tim utama Arsenal melawan [[Aston Villa]] dan memulai pertandingan di bangku cadangan.<ref>{{cite web|url=http://www.bbc.co.uk/sport/0/football/23644714|title=Arsenal 1-3 Aston Villa|publisher=BBC Sport|date=17 August 2013|accessdate=7 September 2013}}</ref> Dia kemudian membuat start pertamanya musim ini pada 22 September 2013 di Liga Premier melawan [[Stoke City]] setelah [[Theo Walcott]] ditarik tepat sebelum kick-off.<ref>{{cite web|title=Mesut Ozil had a hand in all three Arsenal goals as they chalked up their seventh consecutive victory by comfortably beating Stoke.|url=http://www.bbc.co.uk/sport/0/football/24098512|work=BBC|accessdate=28 September 2013}}</ref> Ia bermain 73 menit sebelum diganti keluar oleh [[Ryo Miyaichi]]. Gnabry kemudian mencetak gol pertamanya dalam karier profesional di pertandingan liga berikutnya melawan [[Swansea City]] di mana ia mencetak gol pada menit ke-58 untuk memimpin Arsenal meraih kemenangan 2-1 dan menempati urutan atas tabel klasmen Liga Premier Inggris.<ref>{{cite web|title=Arsenal extended their lead at the top of the Premier League to two points as goals from Serge Gnabry and Aaron Ramsey saw them to victory at The Liberty Stadium, where they played Swnasea City.|url=http://www.bbc.co.uk/sport/0/football/24185190|work=BBC|accessdate=28 September 2013}}</ref>