در ۳۱ ژانویه ۲۰۱۴، کیم کالستروم برای باقی‌ماندهٔ فصل ۲۰۱۳/۱۴ به‌صورت قرضی به آرسنال پیوست. با وجود اینکه در طول آزمایش‌های پزشکی او آسیب‌دیدگی از ناحیهٔ کمر تشخیص داده شد، تصمیم گرفته شد که کالستروم همچنان به آرسنال بپیوندد و دوران توان‌بخشی خود را در این باشگاه بگذراند.
کالستروم نخستین بازی خود را برای آرسنال در ۲۵ مارس در برابر سوانزی در لیگ برتر انجام داد و در دقیقهٔ ۷۹ به‌عنوان بازیکن تعویضی جایگزین توماس روسیچکی شد. حضور بعدی او دو هفته بعد در مرحلهٔ نیمه‌نهایی جام حذفی مقابل مدافع عنوان قهرمانی، ویگان رقم خورد. او که در وقت‌های اضافه وارد زمین شده بود، دومین پنالتی آرسنال را در پیروزی ۴-۲ در ضربات پنالتی به ثمر رساند و موجب صعود آن‌ها به فینال شد. کالستروم بعدها این لحظه را بزرگ‌ترین ۱۵ دقیقهٔ زندگی‌اش توصیف کرد.
سه روز بعد، او نخستین بازی فیکس خود برای آرسنال را در پیروزی ۳-۱ مقابل وست‌هم انجام داد. آرسنال در ادامه فاتح جام حذفی شد؛ کالستروم در ترکیب روز بازی فینال حضور نداشت. پس از انجام چهار بازی در تمامی رقابت‌ها، اعلام شد که کالستروم پس از پایان قرارداد قرضی‌اش در پایان فصل، به آرسنال بازنخواهد گشت. با وجود انجام تنها چهار بازی، کالستروم گفت از دوران حضورش در آرسنال لذت برده است.
دوران بازیگری: هاکن سوئد - یورگاردن سوئد - رن - لیون - اسپارتاک مسکو - آرسنال - گراس هاپرز سوئیس - یورگاردن
تعداد بازی برای تیم اصلی آرسنال: ۴
تعداد بازی برای تیم‌های پایه آرسنال: ۰
کالستروم نخستین بازی بین‌المللی خود را در سال ۲۰۰۱ مقابل فنلاند انجام داد. او در ترکیب تیم ملی سوئد برای جام ملت‌های اروپا ۲۰۰۴، جام جهانی ۲۰۰۶، جام ملت‌های اروپا ۲۰۰۸ و جام ملت‌های اروپا ۲۰۱۲ حضور داشت. او همچنین نخستین گل سوئد را در پیروزی ۳-۲ مقابل هلند به ثمر رساند تا آبی‌وزردها را به یورو ۲۰۱۲ برساند.
در بازی مقدماتی جام جهانی ۲۰۱۴ مقابل آلمان در ۱۶ اکتبر ۲۰۱۱۲، کالستروم بین دو نیمه و زمانی که سوئد ۳-۰ عقب بود، به‌عنوان بازیکن تعویضی جایگزین پونتوس ورنبلوم شد. با وجود دریافت یک گل دیگر، سوئد با سه پاس گل او به تساوی ۴-۴ دست یافت.
در بازی برگشت مقابل آلمان، کالستروم به مکس، یکی از همراهان خردسال تیم (مسکات) که به سندرم ویلیامز مبتلا بود، دلداری داد و تصویر این صحنه در شبکه‌های اجتماعی بسیار پربازدید شد. امیل، پدر مکس، در نامه‌ای به کالستروم از او تشکر کرد. او نوشت: «کیم، به‌خاطر رفتار تو، پسر من توانست دقیقاً همان احساساتی را تجربه کند که هر کس دیگری به‌عنوان همراه خردسال تجربه می‌کند: غرور، احساس خاص بودن، اینکه "من انجامش دادم" و یک شادی بی‌حدوحصر.»
کالستروم پس از یورو ۲۰۱۶ با انجام ۱۳۱ بازی ملی و ثبت ۱۶ گل از تیم ملی خداحافظی کرد. او چهارمین بازیکن با بیشترین بازی ملی در تاریخ سوئد است.