El equipo azulgrana anotó por mediación del polaco Robert Lewandowski en el minuto 7, del brasileño Raphinha en el 34 y del español Ferran Torres en el 88.
El Arsenal remontó con dianas del inglés Bukayo Saka en el 13, del alemán Kai Havertz en el 43, un doblete del belga Leandro Trossard en el 55 y 78 y un último tanto del portugués Fabio Vieira en el 89.
El Barcelona, que hizo debutar a su principal fichaje Ilkay Gündogan, se resintió del menor rodaje respecto a su rival, ya que el fin de semana tuvo que cancelar un amistoso previsto ante la Juventus por un brote de gastroenteritis en el plantel.
El equipo español aprovechó su estreno para presentar su segunda equipación de la temporada con una camiseta blanca, color tradicional de su gran rival, el Real Madrid, que los catalanes no usaban desde la época de Johan Cruyff a finales de la década de 1970.
Un total de 70.223 aficionados disfrutaron de este entretenido amistoso en el SoFi Stadium, considerada la cancha más cara del mundo con más de 5.000 millones de presupuesto, entre ellos la estrella de la NBA Kevin Durant y el cantante Daddy Yankee.
Con un retraso de media hora, debido a dificultades del autobús del Arsenal para llegar al estadio, ambos equipos ofrecieron a los aficionados estadounidenses una trepidante primera mitad con dos goles por bando.
El Arsenal, en su última cita en el país, dominó gran parte de la posesión pero fue el Barcelona el que se avanzó con un fulminante contragolpe lanzado por el joven Ez Abde.
El extremo marroquí, que trata de ganarse un puesto en la plantilla, tomó la pelota en su campo y recorrió toda la banda izquierda hasta enviar un centro que Raphinha remató contra el arquero y Lewandowski remachó a la red.
Solo seis minutos después, el central Andreas Christensen dejó en bandeja el empate al escapársele un control en el área azulgrana, lo que aprovechó Saka para fusilar a Ter Stegen.
El joven internacional inglés tuvo una inmejorable ocasión para adelantar a su equipo pero lanzó desviado un penalti señalado por mano de Ronald Araújo.
Gundogan, que estrenó el emblemático número 14 de Cruyff, y sus compañeros del medio campo no lograban tomar el control del juego, pero el Barcelona se encontró con el segundo gol en un disparo de falta de Raphinha desde el pico derecho que tocó en la barrera y despistó a Aaron Ramsdale.
Sin resentirse del golpe, el Arsenal siguió explotando la superioridad por la derecha de Saka, una pesadilla para Marcos Alonso.
En una internada hasta la línea de fondo, el extremo envió un centro que cabeceó Martin Odegaard y que luego envío a la red Havertz con un toque oportunista.
Lluvia de cambios y goles
Desde el banquillo, donde sostuvo un duelo de estrategas con el también ex barcelonista Mikel Arteta, Xavi Hernández dio entrada en el descanso a un once completamente nuevo.
Los cambios no variaron la dinámica y el Arsenal siguió manejando la pelota. Tras un remate al travesaño de Saka, Leandro Trossard colocó el 3-2 en una acción individual en la que Kounde le permitió entrar al área y lanzar un fuerte zurdazo cruzado.
El propio Toussard amplió la ventaja inglesa ante un Barça que lanzó dos tiros al palo de Dembele y Alejandro Balde.
Ferran Torres acercó al equipo blaugrana con una diana en el 88 pero Vieira sentenció con un zurdazo de museo desde fuera del área un minuto después.
El próximo compromiso del Barcelona será un 'Clásico' veraniego ante el Real Madrid el sábado en Dallas (Texas) y cerrará la gira frente al AC Milan el martes en Las Vegas (Nevada).
Alineaciones:
FC Barcelona: Marc-André ter Stegen (Iñaki Peña, 46) - Sergiño Dest (Sergi Roberto, 46), Ronald Araujo (Eric García, 46), Andreas Christensen (Jules Kounde, 46), Marcos Alonso (Alejandro Baldé, 46) - Oriol Romeu (Fermín López, 46; Lamine Yamal, 78), Ilkay Gündogan (Frenkie de Jong, 46), Pedri (Franck Kessie, 46) - Raphinha (Ferran Torres, 46), Ez Abde (Ousmane Dembele, 46) y Robert Lewandowski (Ansu Fati, 46). DT: Xavi Hernández.
Arsenal: Aaron Ramsdale - Ben White, William Saliba (Jakub Kiwior, 70), Gabriel Magalhaes (Rob Holding, 84), Jurrien Timber (Kieran Tierney, 70) - Thomas Partey (Jorginho, 70), Martin Odegaard (Fabio Vieira, 62), Bukayo Saka (Amario Cozier-Duberry, 84) - Kai Havertz (Smith Rowe, 46), Gabriel Jesus (Eddie Nketiah, 79) y Leandro Trossard (Gabriel Martinelli, 79). DT: Mikel Arteta.