Başarılı bir kiralık sezonundan sonra Nelson, 2019-20 Premier League sezonunda Arsenal'e döndü. Teknik direktör Unai Emery tarafından as takıma yükseltildi ve 24 numaralı formayı aldı. Nelson, Arsenal'in sezondaki ilk iki maçında Newcastle United ve Burnley karşısında ilk 11'de forma giydi. 24 Eylül 2019 tarihinde Arsenal'in EFL Cup'ta 5-0 yendiği Nottingham Forest karşısında maçın tamamına oynadı. Bu maçta takımının adına ilk golünü atarken, bu gol 84. dakikada Arsenal'in maçtaki dördüncü golüydü.