Au milieu du VIIe siècle, le califat arabe conquit rapidement la Perse sassanide et la plupart des provinces orientales de Byzance. La première expédition arabe en Arménie est traditionnellement datée de 640, lorsque Dvin fut prise et saccagée, bien que certains historiens placent cet événement en 642. Le pays se trouva pris entre Byzance et le califat, et les princes arméniens durent maintenir un équilibre prudent entre ces deux puissants voisins.
Durant ces années, l'armée arménienne était commandée par le prince Théodoros Rechtouni. En 652, il conclut un accord avec Muawiya, gouverneur arabe de Syrie : l'Arménie reconnaissait la suzeraineté du califat, mais conservait son autonomie intérieure, sa cavalerie et son Église, et aucune troupe arabe ne devait stationner dans le pays. Byzance y vit une trahison, et au cours des décennies suivantes l'Arménie passa plusieurs fois sous l'influence de l'une ou l'autre puissance. À cette époque, le catholicos Nersès III le Bâtisseur éleva près de Vagharchapat la cathédrale de Zvartnots, qui s'effondra plus tard, probablement au Xe siècle. Le VIIe siècle vit aussi la construction des cathédrales de Taline, de Mren et d'Aroutch, tandis que le savant Anania Chirakatsi rédigeait des ouvrages d'arithmétique, de comput et de cosmographie.
Au début du VIIIe siècle, les califes omeyyades établirent en Arménie une administration directe. Fut alors créée une vaste circonscription appelée Arminiya, qui comprenait, outre l'Arménie, la Géorgie et l'Albanie du Caucase. Elle était gouvernée par un ostikan nommé par le calife, qui siégeait principalement à Dvin. Le chroniqueur Ghévond rapporte que vers 705, sur l'ordre d'un chef arabe, des nakharars arméniens rassemblés à Nakhtchavan et à Khram furent brûlés dans des églises, après quoi une partie de la noblesse partit pour Byzance. Les impôts s'alourdirent, et des tribus arabes s'installèrent dans certaines villes et plaines, fondant plus tard leurs propres petits émirats. En même temps, le commerce s'anima dans l'immense espace du califat, et Dvin devint un important centre marchand et artisanal.
La domination arabe se heurta à plusieurs reprises à une résistance armée. Le plus grand soulèvement éclata en 774–775 sous la conduite de Mouchegh Mamikonian et d'autres nakharars. En 775, les insurgés furent vaincus lors d'une bataille dans le Bagrevand ; la maison Mamikonian fut fortement affaiblie, et les Bagratouni et les Artsrouni passèrent au premier plan. Au début du IXe siècle, Achot Msaker (« le Mangeur de viande »), de la famille Bagratouni, étendit son pouvoir sur plusieurs provinces et fut reconnu par le califat comme prince des princes, tandis que les Artsrouni se renforçaient au Vaspourakan. Le califat dressait souvent les princes les uns contre les autres, mais avec le temps il dut s'appuyer sur eux.
Au milieu du IXe siècle, le califat tenta de rétablir un contrôle strict. En 850–851, après l'arrestation de Bagrat Bagratouni, prince du Taron, les montagnards de Sassoun (Sason) se révoltèrent et tuèrent l'ostikan Youssouf à Mouch. En réponse, le calife al-Mutawakkil envoya en Arménie le général Bougha, dont la campagne (852–855) s'accompagna de grandes destructions. De nombreux nakharars furent emmenés captifs à Samarra, capitale du califat, où l'on exigea qu'ils se convertissent à l'islam ; certains s'y résignèrent, tandis que beaucoup de ceux qui refusèrent subirent le martyre.
Selon la plupart des spécialistes, les événements de cette époque constituent le fond historique de l'épopée populaire arménienne Les Enragés de Sassoun (Sasna Tsrer). Transmise oralement pendant des siècles, l'épopée fut mise par écrit pour la première fois en 1873 par Garéguine Srvandztiants. Ses quatre branches, de Sanassar et Baghdassar jusqu'à David de Sassoun et Mher le Jeune, racontent la lutte des héros de Sassoun contre les rois de Msr. L'épopée n'est pas une chronique historique mais une création populaire où se mêlent des souvenirs de différents siècles ; son esprit épris de liberté reflète pourtant la vie réelle et les traditions de la montagneuse Sassoun.
Après les événements de Samarra, la maison Bagratouni parvint à rétablir sa position. En 862, Achot Bagratouni fut reconnu prince des princes et, à mesure que le califat s'affaiblissait, rassembla autour de lui les princes arméniens. Son couronnement eut lieu en 885 ; les sources donnent aussi les années 884 et 886. Les deux siècles et demi de domination arabe furent difficiles, mais l'Église arménienne, l'écriture et le système des nakharars survécurent, et dans la seconde moitié du IXe siècle apparurent les premiers khatchkars (croix de pierre) datés, qui devinrent plus tard l'un des symboles de l'art arménien.
