Holdet fra den tredjebedste engelske fodboldrække, League One, formåede før pausen at lukke effektivt ned for Premier Leagues førerhold.
Men i anden halvleg viste Arsenals offensiv koldblodighed, og særligt Eddie Nketiah udmærkede sig med sine to mål til 2-0 og 3-0.
Sejren sender Arsenal videre til FA Cups fjerde runde, hvor Manchester City venter i lidt af et brag.
Arsenal havde til mandagens kamp lavet syv ændringer i startopstillingen i forhold til den forrige kamp i Premier League.
Første halvleg endte da også med at være ganske stilfærdig. Måske fordi Arsenal-holdet var stillet lidt alternativt op.
Gæsterne fik lov til at holde bolden i egne rækker, men var langt fra at skabe store chancer.
Til tider virkede Arsenal en smule rystet. Det kom blandt andet til udtryk, da Oxford ihærdigt vandt bolden midt på banen, inden Cameron Brannagan tvang en blokering ud af gæsternes defensiv.
Der blev dog ikke scoret før pausen, og efter 64 minutter indledte Arsenal nogle særdeles effektive minutter.
Mohamed Elneny steg op til et frispark fra Fabio Vieira og scorede det forløsende mål til 1-0.
Derefter var Eddie Nketiah i hopla. Først udnyttede han en fremragende stikning fra Fabio Vieira til at runde keeperen og sende bolden over stregen.
Efter 76 minutter slog han sømmet i Oxford-kisten, da han i høj fart modtog bolden i højre side af feltet og udplacerede Edward McGinty i målet.