2003-2004赛季范佩西已经和范马尔维克彻底决裂，在大多数比赛中只能坐在板凳上，范佩西在这个赛季各项比赛中出场了三十三场仅打进六球，这时的范佩西拒绝和费耶诺德续约，双方关系已经彻底决裂于是费耶诺德开始主动兜售范佩西，但很多豪门忌讳于他的前科而非常谨慎，而当时正致力于寻找博格坎普的接班人的阿森纳看中了范佩西。
2004年5月14日范佩西正式签约阿森纳，转会费仅有二百七十五万英镑，而在他加盟之时阿森纳队主教练温格表示，范佩西在阿森纳队内的位置将从他过去习惯的左边锋改到中路，他会成为博格坎普的接班人，在亨利的身后担任影锋。
2004-2005赛季中范佩西在阿森纳对阵曼联的社区盾杯决赛中首次代表阿森纳出场，而阿森纳最终三比一击败了曼联，范佩西收获了他来到英格兰以后的第一个冠军。赛季初期范佩西难以和何塞·安东尼奥·雷耶斯、丹尼斯·博格坎普和弗雷德里克·永贝里等人竞争，因此他的大部分时间是替补。10月阿森纳对阵曼城的比赛中首次首发出场，并且打进了他在阿森纳的第一个进球。
2004年底到2005年1月在博格坎普和雷耶斯伤停的时侯，范佩西的机会终于来了，在足总杯半决赛对阵布莱克本队的比赛，范佩西中表现神勇，替补出场打进了两个进球。而在最后的足总杯决赛中，范佩西也在点球大战中冷静的罚入点球，收获了足总杯冠军，范佩西在阿森纳的处子赛季虽然传出了一些不和谐的声音，但是表现无可置疑，各项比赛出场四十一次打进十球。
2005-2006赛季，因为何塞·安东尼奥·雷耶斯的低迷和丹尼斯·博格坎普即将退役，范佩西获得的机会更多了。他的表现也有明显提升，2005年11月范佩西在八场各项比赛中打进了八个进球，获得了11月英超最佳球员的荣誉，这是他第一次获此殊荣。2006年1月范佩西在阿森纳对阵卡迪夫城的足总杯比赛中脚趾受伤，被迫休整数周，在复出以后仅两场比赛后，2月2日范佩西对阵西汉姆联的比赛中伤势复发，这次他又不得不养伤一个多月，这个赛季里范佩西受伤病影响出场次数减少了，但是表现却有提升，出场三十八次打进了十一球。
2006-2007赛季范佩西成为了阿森纳的主力。范佩西在这个赛季前半段出勤率一直很高，他在阿森纳击败查尔顿的比赛中打进了一粒惊世骇俗的抽射。当时范佩西在禁区外接到了埃布埃的一个落点并不好的传中，快速调整了步伐，以一个非常规的起脚动作、左脚抽出了一个精彩的落叶球，直挂查尔顿队球门死角，这个进球在英超联赛的十几年历史里都可以称得上是经典。在2005年底到2006年初这段时间里范佩西状态极佳，在七场比赛里打进了六个球，这其中就包括阿森纳对阵曼联的重要比赛中，范佩西替补出场打进了扳平比赛的一球，帮助阿森纳在最后时刻逆转击败了曼联，然而也正是在这时，范佩西竟然在庆祝进球时跖骨骨折，被迫提前结束这个赛季。
2007年夏天阿森纳传奇球星亨利转投巴塞罗那，范佩西成为了阿森纳的核心射手。但就是这支年轻的阿森纳，却在范佩西和法布雷加斯等人的带领下在联赛中一路高歌猛进，范佩西在赛季开局的十三场比赛中打进了七球，并且有相当数量的助攻。2007年10月范佩西在参加荷兰国家队的比赛中膝盖受伤，被迫休息两个月。
2007年12月中旬范佩西复出，但之后伤病不断反复，从2007年底一直到2008年3月间，范佩西只打了两场比赛，阿森纳在这段时间也一路跌到了联赛第三位。严重的是范佩西不断地伤病甚至已经给他产生了心理阴影，2008年4月29日范佩西在对阵德比郡的比赛中打进一球后，在中场休息时被换下，当时人们都担心范佩西会因伤错过欧洲杯，但随后温格澄清是保险起见，不想让范佩西冒险错过欧洲杯。
2008-2009赛季范佩西伤病较少的一个赛季，10月29日阿森纳对阵热刺的北伦敦德比中，范佩西打进了他在阿森纳的第五十个进球。2008年11月8日阿森纳一比二负于斯托克城的比赛里，急躁的范佩西在球队落后的时候恶意肘击对方门将索伦森，被直接红牌罚下。赛后索伦森承认当时他是在故意引诱挑衅范佩西的，范佩西为不冷静付出代价。不过在停赛复出后，范佩西在对阵切尔西和利物浦的比赛中表现出色，包办了本队的三个进球。
他在阿森纳客场挑战切尔西的比赛里独中两元，使得当时处在困境中的阿森纳在客场二比一逆转击败了切尔西;而在阿森纳主场对利物浦的比赛里，范佩西接到纳斯里的后场长传后，在难度极大的情况下依然能卸下球、左脚控球带过了卡拉格和阿格、而后右脚大力射门得分，范佩西这一套动作一气呵成仅用了四秒钟时间，而这个精彩的范佩西式的进球后来被BBC评为当月英超最佳进球。除此之外范佩西在欧冠中也表现优异，在欧冠淘汰赛对阵罗马和比利亚雷尔的比赛中，范佩西也都有进球。在这个赛季里范佩西展现出极其全能的素质，四十四次出场是他加盟阿森纳以来出场最多的一个赛季，他不但在各项比赛里打进了二十球，此外还有十五次助攻。
2009年夏天范佩西和阿森纳续约到了2013年，续约之后范佩西表示自己绝对忠于阿森纳，不愿像阿德巴约等人那样另谋高就。