Arsenal ställdes mot portugisiska Vitoria som inlett gruppspelet med två förluster och låg sist i gruppen. Arsenal kom stärkta av två segrar mot belgiska Standard Liege och tyska Eintracht Frankfurt.
Tidigt i matchen tog gästerna ledningen, detta lite retligt genom Tottenham-produkten Marcus Edwards. 20-åringen lämnade London för spel i Portugal efter lånesejourer till Norwich och nederländska Excelsior inför denna säsong.
Han tog snyggt tog emot bollen i straffområdet, vände och vred innan han sköt in 1-0 i åttonde matchminuten.
Arsenal försökte trycka på och växla upp för en kvittering men lyckades inte hitta någon rejäl chans men målet skulle komma.
I 32:a minuten slog Kieran Tierney ett perfekt inlägg till Gabriel Martinelli som nickade in 1-1, sekunder senare var Arsenal nära på att utöka genom Emile Smith Rowe men avslutet gick precis utanför högre stolpe.
Arsenal tryckte på framåt för ett ledningsmål men straffades i stället defensivt, detta efter slarv på mittplan från Ainsley Maitland-Niles. Vitoria ställde om och först sköt Davidson ett stenhårt men lågt skott i högra stolpen och på returen dunkade Bruno Duarte in 2-1.
I andra halvlek uppstod en irriterad situation mellan Alexandre Lacazette och Victor Garcia. Spelarna gick ihop och den förstnämnde föll till marken, Garcia varnades för förseelsen men på reprisen syntes det att Arsenal-anfallaren överdrev.
Arsenal hade stora problem att skapa några heta och stora kvitteringschanser, Lacazette visade gång på gång frustration över uteblivna passningar och gestikulerade mot domslut. Tillslut varnades fransmannen och byttes därefter ut till förmån för Nicolas Pepe. 24-årige nyförvärvet skulle komma att spela en viktig roll i slutet av matchen.
I 80:e minuten kvitterade han genom en vacker frispark, utom räckhåll för målvakten Miguel Silva. Martinelli var sedan väldigt nära att bli tvåmålsskytt och stänga matchen efter samspel med Hector Bellerin men detta skott tog Silva.
Det såg i stället Pepe till att göra, på övertid bjöd han på en ännu vackrare frispark och gav sitt Arsenal alla tre poäng, trots att man störts rejält.
- Vårt mål i denna turniering är att bli gruppetta. Varje match är en chans att använda olika spelare och skaffa erfarenheter. Vi spelade inte som vi önskade men vi visade mycket vilja och det var en bra seger, säger Arsenals tränare Unai Emery enligt Uefa.