W wieku 16 lat został sprzedany do klubu Arsenal London. W jego 1 sezonie nie grał często, ponieważ pozycję środkowego pomocnika zajmował Patrick Vieira(Internazionale). W sezonie 2004/05 przez częste kontuzje Vieiry, Fabregas często wychodził w pierwszym składzie Gunners. Gdy Arsene Wenger sprzedał Vieirę, Fabregas dostał miejsce w pierwszym składzie. Gra Fabregasa była szczególna. Podawał z połowy idealnie do nogi, a strzały z dystansu miał opanowane do perfekcji. W sezonie 2005/06 nabrał dużej wartości dla Arsenalu, a trio Henry, Fabregas, Ljunberg siał postrach w Barclays Premier League. Choć sezon 2007/08 zaczął się dla Arsenalu niepewnie. W wyniku problemu z wiceprezesem najlepszy strzelec Arsenalu, Henry, odszedł do Barcelony. Wtedy na barki Fabregasa spadł caly ciężar gry w Arsenalu. Fabregas choć młody i niedoświadczony zawodnik podołał zadaniu i utrzymał Arsenal na czwartej pozycji w lidze do końca sezonu. Sezon 2008/09 zaczął się dla Fabregasa idealnie. Po nieodpowiedzialnym zachowaniu Wiliama Gallasa, Fabregas został kapitanem Kanonierów. 21 grudnia podczas meczu z The Reds po starciu z Xabi Alonso zerwał wiązadła krzyżowe i nie zagra do kwietnia tego roku.