Skor 1-1 yang bertahan hingga babak kedua selesai membuat pertandingan dilanjutkan ke adu tendangan penalti.
Pada babak tos-tosan, situasi menegangkan terjadi karena tujuh penendang pertama kedua tim sukses menjalankan tugasnya.
Sementara itu, pada algojo kedelapan, Palace gigit jari sebab Maxence Lacroix gagal mendulang gol.
Pada sisi lainnya, William Saliba sukses memasukkan bola ke dalam gawang.
Dengan demikian, Arsenal menumbangkan The Eagles pada babak adu tendangan penalti dengan skor 8-7.
Kemenangan pun membawa Arsenal menembus semifinal. Pada empat besar, skuad asuhan Mikel Arteta itu akan menantang Chelsea.
Menurut jadwal, leg pertama yang berlangsung di Stamford Bridge akan digelar pada 15 Januari.
Sementara itu, Emirates Stadium akan menjadi panggung pada leg kedua yang dihelat 4 Februari.
Arsenal: Kepa Arrizabalaga; Jurrien Timber, William Saliba, Riccardo Calafiori, Myles Lewis-Skelly; Mikel Merino, Christian Norgaard, Eberechi Eze; Noni Madueke, Gabriel Jesus, Gabriel Martinelli.
Pelatih: Mikel Arteta
Crystal Palace: Walter Benitez; Marc Guehi, Maxence Lacroix, Chris Richards; Tyrick Mitchell, Jefferson Lerma, Adam Wharton, Jaydee Canvot; Yeremy Pino, Eddie Nketiah; Jean-Philippe Mateta.
Pelatih: Oliver Glasner