fotbollströja med eget namn barn Gunners gjorde stora förändringar på sidan som slog Leeds United, med bara Ben White och Martin Odegaard som behöll sina platser men de hade fortfarande ett bra anfall, med sådana som Emile Smith Rowe, Nicolas Pepe och Eddie Nketiah som startade.
Matchen var öppen från start och Arsenal tog ledningen i den 17:e minuten efter att Nketiah skjutit in en retur på nära håll efter att målvakten Lee Burge parerat Rob Holdings nick på hans väg.
Mikel Artetas laddningar fördubblade sin ledning tio minuter senare efter att Pepe kombinerat med Cedric Soares och krossade en avledd attack i mitten av rutan som hittade taket i nätet.
Sunderland var hotfulla och de drog så småningom tillbaka ett mål strax före halvtimmen efter att Nathan Broadhead gick igenom på mål från Elliot Embletons försvarsdelande passning och klippte ett slag över skottstopparen Bernd Leno i en en-mot-en, som gästerna gick till halvtidsvila med hopp om comeback.
Nketiah återställde dock en tvåmålskudde för Gunners fyra minuter från halvtidsvilan och fick sitt stöd med ytterligare en avslutning på nära håll vid den närmaste stolpen efter ett inlägg av Nuno Tavares.
Nketiah gjorde 4-1 för Arsenal och fullbordade sitt hattrick strax före timmesstrecket med en djärv back-klack i sex-yard boxen efter ett lågt inlägg av Pepe.
Arteta gjorde en dubbel förändring 17 minuter före tid, då Gabriel ersatte Ben White för fräscha ben bak och Gabriel Martinelli kom in för Odegaard av samma anledning på förhand.
Charlie Patino avrundade matchen för Arsenal på stopptid med cristiano ronaldo tröja ett första slag från Pepes kryss, när Gunners tog sig till semifinal för första gången på fyra år.