A primera hora, Manchester City, que iba de líder, cayó 2-0 en la casa de Stoke.
Uno de los mejores jugadores ofensivos en la campaña, Mahrez, de 24 años, anotó dos goles temprano en la primera mitad, tras asegurarse la tripleta a los 67 tras recibir un excelente pase de Vardy.
Vardy había a notado en sus 11 partidos previos, fijando un nuevo récord para la Premier.
Leicester arrancó la jornada debajo del City por diferencia de goles, pero ahora le lleva dos puntos al Arsenal, ocupante del segundo puesto.
Swansea sigue cerca de la zona de descenso, con apenas 14 puntos en 15 partidos.
En Londres, Olivier Giroud compensó por un autogol desafortunado anotando el segundo gol de Arsenal, que venció 3-1 al visitante Sunderland en un encuentro en el que no jugó muy bien.
Giroud remató de cabeza un cruce de Aaron Ramsey a los 63 minutos y Ramsey añadió el tercero de los locales en tiempo de descuento, para dar a Srsenal una muy necesitada victoria que les deja en segundo, por encima de City y Manchester United.
Joel Campbell le había dado la ventaja a Arsenal a los 33 minutos, rematando calmadamente un excelente pase de Mesut Ozil, pero Sunderland emparejó las acciones antes del descanso cuando Giroud trató de despejar un tiro libre y desvió el balón a sus redes.
City fue dominado como visitante de Stoke, con el austriaco Marko Arnautovic anotando dos veces en la primera mitad, en medio de fuertes vientos en el Estadio Britannia.
Arnautovic anotó a los siete y 15 minutos tras pases de Xherdan Shaqiri, en una tarde que vio a Stoke explotar la pobre defensa del City. Los visitantes estaban sin los lesionados Sergio Agüero, Yaya Toure y Vincent Kompany.
Fue la tercera derrota del City en cinco partidos en todas las competencias — y cuarta en su campaña en la liga —, centrando la atención en los huecos en el equipo cuando sus astros están fuera.
Manchester City lleva ahora cuatro partidos seguidos como visitante sin ganar en la liga.
Manchester United cayó al cuarto tras un deslucido empate en casa 0-0 con West Ham, que tuvo las mejores oportunidades durante gran parte del duelo.
El campeón Chelsea, en tanto, siguió de mal en peor, cayendo 1-0 en casa ante el ascendido Bournemouth.
En otros partidos del sábado, West Bromwich Albion empató 1-1 con Tottenham; Southhampton tuvo quer conformarse con un 1-1 ante el visitante Aston Villa y Watford se impuso 2-0 a Noewich.