Raya, de 27 anos, fez os 38 jogos da Premier League na temporada passada pelos Bees.
No Arsenal, ele vai disputar posição com o inglês Aaron Ramsdale.
"Estou me sentindo na lua por poder assumir este desafio na minha carreira e dar um passo à frente", declarou o goleiro em entrevista divulgada pelos Gunners.
Raya chega por empréstimo por 3,5 milhões de euros (R$ 18,9 milhões na cotação atual) e o Arsenal pode tornar a transferência permanente se decidir desembolsar mas 31,3 milhões de euros (R$ 169,1 milhões) ao final da temporada.
Dos 62 jogos que disputou na Premier League, Raya não foi vazado em 20.
Com o Brentford, foram 161 jogos entre todas as competições desde que chegou ao clube, em julho de 2019.