Raya, que ha sustituido al internacional inglés Aaron Ramsdale como titular en el Arsenal, ha disputado 41 partidos en todas las competiciones desde su cesión por una temporada desde el Brentford.
El portero español se trasladó a las Abejas en 2019 después de un período en el Blackburn Rovers de la Championship.
El Arsenal no reveló los detalles financieros del acuerdo, pero los medios británicos informaron que han pagado alrededor de 29 millones de euros por Raya.
"David nos demostró la temporada pasada lo importante que es para nosotros, así que estamos encantados de que ahora sea oficialmente nuestro jugador", dijo Mikel Arteta, entrenador del Arsenal, en un comunicado.
"Es una gran presencia en nuestro vestuario y estamos muy contentos de seguir trabajando con él.
Sabemos que aprovechará los sólidos cimientos que sentó la temporada pasada y que seguirá construyendo sobre ellos en los años venideros, y que disfrutará de más éxitos con nosotros".
"Tenemos un grupo de porteros con mucho talento y me encanta ver conexiones como la que veo en nuestra unidad de porteros".