A 2003–04-es szezonban egy, a bajnokságban teljesen veretlen Arsenal kapitánya lehetett. Az idény elején sokat hiányzott a csapatból térdsérülés miatt, a Lokomotiv Moszkva elleni Bajnokok Ligája mérkőzésen tért vissza, amit az "Ágyúsok" nyertek 2–0-ra. A szezon végén a játékost kapcsolatba hozták a Real Madriddal és a Chelsea-vel is. 2005-ben az FA-kupa döntőn ő lőtte be az utolsó, győztes büntetőt a tizenegyespárbaj során, miután rendes játékidőben 0–0-t játszottak a Manchester United-del. Vieira összesen 407 mérkőzésen lépett pályára Arsenal mezben, és 34 gólt szerzett.