Несмотря, на трудности с переходом в питерский «Зенит» из московского «Спартака» и полугодичной аренды в «Ростове», летом 2015 года Артем Дзюбы все же надел на себя футболку «сине-бело-голубых». Первый сезон в целом для Артема получился удачным, питерцам удалось создать хорошую связку в атаке Дзюбы с звездным бразильцем Халком. В 30 матчах чемпионата России Артем забил 15 мячей, а в Лиге Чемпионов смог установить рекорд среди россиян – 6 голов в рамках группового этапа. Отдельно стоит отметить гол Дзюбы в ворота своей бывшей команды – московского «Спартака», что спасло «Зенит» от поражения. В апреле 2016 года Дзюба забил 100-й гол в карьере, а в мае в финале «Зенит» обыграл «ЦСКА» и завоевал Кубок России.
В сезоне 2016/2017 при румыне Мирче Луческу Дзюба также был игроком основного состава и вместе с питерцами второй раз подряд завоевал бронзовые медали чемпионата России. Но вот при новом наставнике команды с берегов Невы Роберто Манчини, Дзюба уступил свое место в основном составе. Итальянец больше доверял место в основне Кокорину и целой поросли пришедших аргентинцев. Все это происходило на фоне приближающегося домашнего Чемпионата Мира в России, а «Дзюбинатор» в отсутствии игровой практики не вызывался главным тренером Станиславом Черчесовым в национальную сборную. В таких условиях, чтобы реализовать свою давнюю мечту и сыграть на домашнем Мундиале, Артем принял, пожалуй, главное решение в своей игровой карьере, и перешел на полгода в аренду в средний, но амбициозный тульский «Арсенал». Артем играл за туляков достойно и помог достичь им лучшего клубного успеха в собственной истории и занять 7-е место в чемпионате. Наиболее блестящим получился у Артема матч против собственной команды питерского «Зенита. Дзюба вышел невероятно заряженным на матч и смог оформить дубль в ворота «Зенита» (3:3). Это матч стал определяющим и Дзюба смог пробиться в заявку сборной на домашний Чемпионат Мира.
