När tabelljumbon kvitterade i 90:e minuten såg det ut som Arsenal skulle tappa två poäng.
Men i den 94:e minuten nickade Wolverhamptons mittback Yerson Mosquera in Bukayo Sakas inspel i eget nät.
Det blev seger med 2–1.
Viktor Gyökeres spelade från start men hittade inte nätet. I 81:a minuten blev svensken utbytt.
Arsenal leder Premier League fem poäng före Manchester City, som möter Crystal Palace imorgon.
Wolverhamptons ligger toksist med 2 poäng på 16 omgångar.