Nordmannen ble byttet inn for venstrebacken Cedric etter 65 minutter, men dyttet Bukayo Saka ned backen og tok plass sentralt i banen.
Ødegaard tok umiddelbart tak og hadde flere fine involveringer for Arsenal, uten at de klarte å omsette det i form av scoringer.
– Totalt sett så han bra ut, sier tidligere landslagskeeper Erik Thorstvedt i TV 2s studio.
Ødegaard kom først inn som offensiv midtbanespiller, men ble flyttet dypere i banen da midtbanedynamoen Thomas Partey måtte forlate banen med skade et kvarter før slutt.
Ghaneserens skade kan gjøre at det blir en plass på laget.
– Han hadde et muskulært problem. Vi måtte ta ham av, han klarte ikke å fortsette, sier Mikel Arteta etter kampen – og er usikker på alvorlighetsgraden.
Drammenseren fikk en brukbar mulighet etter 83 minutter. Fra omtrent 14 meter banket han til, men ballen gikk en halvmeter over tverrliggeren til Villa-keeper Emiliano Martínez.
På overtid fikk Ødegaard et innlegg som han ikke klarte å kontrollere, og han hadde også et fint gjennomspill til Nicolas Pépé i kampens siste minutt, men da ordnet Tyrone Mings opp for Aston Villa.
Hjemmelaget ga Arsenal en marerittstart da Ollie Watkins satte ballen i mål før to minutter var spilt.
Vertene var nærmere sitt andre mål enn Arsenal var utligning før pause, selv om Granit Xhaka fyrte av gårde et skremmeskudd på frispark fra rundt 30 meter.
I andre omgang åpnet kampen seg betraktelig mer og begge lag hadde store muligheter til å score.
Det endte imidlertid med Aston Villa-seier. Dermed har laget fra West Midlands tatt seks av seks mulige poeng mot Arsenal denne sesongen.
I høst vant Aston Villa hele 3–0 på The Emirates. Også da var Ollie Watkins en sentral figur med sine to scoringer.
Lørdagens tap var Arsenals andre bortetap på rad, etter at de tapte 1–2 mot Wolverhampton på Molineux i en kamp de fikk to spillere utvist. Da kom Ødegaard aldri på banen.
Nordmannen fikk syv minutter i debuten mot Manchester United på Old Trafford.