Przez całe rozgrywki opuścił zaledwie siedem meczów ligowych, zaś klub zakończył kampanię na czwartym miejscu, dzięki czemu po raz pierwszy w pierwszy w historii zakwalifikował się do Ligi Mistrzów. 27 stycznia 2013 roku podczas wygranego 3:2 meczu wyjazdowego z Mallorcą Monreal zdobył swoją pierwszą bramkę w barwach Málagi.
Arsenal 31 stycznia 2013 roku Monreal uzgodnił warunki transferu do angielskiego Arsenalu, z którym związał się długoterminową umową. W nowych barwach zadebiutował dwa dni później podczas wygranego 1:0 ligowego meczu ze Stoke City.
23 lutego 2013 roku Monreal asystował Santi Cazorli przy zwycięskim golu w meczu z Aston Villą (2:1). 16 marca strzelił swojego pierwszego gola dla Arsenalu w wygranym 2:0 meczu przeciwko Swansea City.
Po przybyciu Alexisa Sáncheza w 2014 roku, Monreal przejął numer 18, który wcześniej nosił Sébastien Squillaci.
23 sierpnia asystował Olivierowi Giroudowi przy wyrównującym golu w meczu z Evertonem. Mecz zakończył się wynikiem 2:2.
W sezonie 2014/15 Laurent Koscielny doznał kontuzji ścięgna Achillesa, co spowodowało, że Monreal został przesunięty na pozycję środkowego obrońcy na kilka meczów.