Sikeres kölcsönszereplése után Nelson visszatért az Arsenalba a 2019–20-as Premier League-szezon előtt. Unai Emery menedzser nevezte az első csapatba, a 24-es mezszámot kapta. A szezon első két fordulójában kezdőjátékosként szerepelt a Newcastle United és Burnley ellen. 2019. szeptember 24-én ismét kezdett és végigjátszotta az Arsenal 5-0-s sikerével véget érő Ligakupa-mérkőzését a Nottingham Forest ellen. A találkozón ő szerezte csapata negyedik találatát, ez volt az első gólja a klub színeiben.