Man City no perdía en la liga hacía 17 partidos, una racha que comenzó en mayo. Su ventaja sobre el segundo Manchester United se redujo a dos puntos.
Con su tercer triunfo seguido, Chelsea quedó tercero junto a Tottenham, ambos a siete puntos del líder.
"Es una victoria gratificante", dijo el entrenador de Chelsea Andre Villas-Boas. "Siete puntos menos, con tantos equipos que pelean por el título, no es nada".
Man City quedó con 10 hombres desde los 58 minutos por la expulsión por dos tarjetas amarillas del lateral izquierdo Gael Clichy.
El visitante se había puesto adelante por un gol del italiano Mario Balotelli a los dos minutos, el octavo suyo en la temporada, tras un buen pase filtrado del argentino Sergio Agúero. Y City pudo haber aumentado la ventaja durante una primera media hora que dominó.
El mediocampista español David Silva pareció sufrir una clara falta del portugués José Bosingwa en el área pero el árbitro Mark Clattenburg no la cobró.
El portugués Raúl Meireles empató a los 34 luego que los londinenses achicaron espacios en el mediocampo para frenar a Silva y Yaya Touré.
Cuando Clichy vio dos amarillas en un espacio de 12 minutos, Chelsea tomó el control del partido.
"No anotamos lo suficiente en la primera mitad y luego el partido cambió con la expulsión", lamentó el entrenador del City Roberto Mancini. "Se puso difícil".
Arsenal está quinto a dos puntos de Chelsea y Tottenham, por lo que los cinco primeros ocupan un margen de nueve puntos tras 15 fechas, pese al arranque aplastante de un City que acumulaba 12 victorias y dos empates hasta ahora.
"Chelsea tuvo buena suerte en este partido", dijo Mancini. "Estamos decepcionados con la derrota pero tenemos tiempo de recuperarnos".
