Franck Queudrue jubler etter Middlesbroughs mål. (Foto: AFP/Scanpix)
Arsenal stilte blant annet uten sin spiss Thierry Henry, samt Patrick Vieira, Robert Pires og svenske Fredrik Ljungberg.
Gareth Southgate og Colin Cooper sto over for gjestene.
22 år gamle Graham Stack var sjanseløs da Juninho ga Middlesbrough 1-0 åtte minutter ut i annen omgang.
Spanske Gaizka Mendieta serverte til en umarkert Juninho, som scoret enkelt med et velplassert skudd.
Traff stolpen
Stack avverget imidlertid mesterlig da aktive Juninho fyrte løs fra 16 meter et par minutter før scoringen.
Brasilianeren hadde også et forsøk som traff stolpen etter 16 minutters spill.
Quincy Owusu-Aybeie spilte sin første kamp for Arsenal, men spissen klarte ikke å score i debuten og ble byttet ut 27 minutter før slutt.
Middlesbrough vant fortjent, hadde full kontroll på hjemmelaget det siste kvarteret og sikret seg første stikk i kampen om en plass i ligacupfinalen.