Sebastian Larsson låg bakom ledningsmålet som Kieran Richardson satte.
Tvåan kom på ett självmål med 15 minuter kvar. Larssons skott träffade stoplen men letade sig in i nät via gästernas Alex Oxlade-Chamberlain.
Sebastian från Eskilstuna var en av sex spelare som ådrog sig gula kort.
För gästande Arsenal har det varit en miserabel vecka. Larssons gamla klubb fick i onsdags stryk med 4-0 av Milan i Champions League och åker sannolikt ur den turneringen också.
Utöver Sunderland har Everton, Leicester och Bolton gått vidare i FA-cupen. Chelsea fick nöja sig med 1-1, och omspel, mot Birmingham.