Den England Under-19 internationella, som inte har spelat en Premier League spel för Gunners, kommer att flytta till Estadio da Luz på en fem-års deal.
Willock, 19 år, hade erbjudits ett nytt avtal på Arsenal, men hans flytt till Lissabon har avslöjats via Benficas Twitter-flöde.
Manchester City hade också kopplats till angriparen, vars kontrakt löper ut den 1 juli.
"Jag hoppas att jag kan visa vad jag kan göra på planen. Jag tycker att vi har ett bra team och vi kan uppnå stora saker i framtiden," Willock sade på Benfica webbplats.
Willock hade varit med Arsenal sedan 2003 med sin yngre bror, Joe, kvar i Gunners ungdomsanläggning.
Hitta alla de senaste fotbollsöverföringarna på vår dedikerade sida.
Arsenal framåt Chris Willock är att gå med Benfica när hans kontrakt löper ut.