Górnik Zabrze 1 lipca 2011 podpisał 5-letni kontrakt z Górnikiem Zabrze. Jeden z zapisów zapewnił jego bratu, Łukaszowi, pracę na stanowisku kierownika drużyny Młodej Ekstraklasy Górnika i klubowego pracownika działu marketingu. Działacze wyrazili ponadto zgodę, aby Arkadiusz Milik wystąpił w barwach Rozwoju Katowice, w finałach Mistrzostw Polski juniorów U-17 w Gdyni, gdzie ostatecznie Rozwój zajął trzecie miejsce.
W rozgrywkach Ekstraklasy zadebiutował mając 17 lat, 5 miesięcy i 3 dni. W debiucie przeciwko Śląskowi Wrocław, który miał miejsce 31 lipca 2011, zaliczył asystę przy bramce Pawła Olkowskiego. Na pierwszego gola czekał do 1 kwietnia 2012, kiedy to w spotkaniu przeciwko Koronie Kielce, dwukrotnie wpisał się na listę strzelców. Stał się tym samym najmłodszym strzelcem gola w Ekstraklasie podczas sezonu 2011/2012 oraz siódmym w historii Górnika. Po ukończeniu 18. roku życia, podpisał z Górnikiem nowy kontrakt. Pierwszy sezon w Ekstraklasie zakończył z dorobkiem czterech bramek w dwudziestu czterech meczach, natomiast jego drużyna zajęła ósme miejsce w ligowej tabeli.