Hampus Finndell gav Djurgården ledningen efter tio minuter. Sex minuter senare nickade Miro Tenho in 2-0 på hörna.
Kevin Filling reducerade till 1-2 i minut 22. AIK jagade kvittering.
I minut 37 kom den stora kontroversen. Axel Kouame sköt i stolpen och Filling petade in returen. Men linjedomare Mehmet Culum dömde bort målet för offside – felaktigt.
– Det är inte olyckligt. Det är dåligt. Det är jättedåligt gjort, sa TV4:s expert Alexander Axén i halvtid.
Djurgården gjorde 3-1 innan paus. Matchen var avgjord.
– Skittråkigt, men jag kan inte göra något nu, sa 17-årige Filling efteråt.
Samma linjedomare dömde felaktigt bort Gais mål mot Djurgården i premiäromgången.
– Psykologiskt tungt eftersom Djurgården gör mål lite senare, sa SVT:s expert Jonas Eriksson.
Derbyförlusten förstärker AIK:s svaga formkurva.