Arnolfo wurde in Colle Val d’Elsa in der Toskana geboren.
Er war Nicola Pisanos Hauptassistent auf der Marmorkanzel des Doms von Siena für den Dom im Dom von Siena (1265-1268), aber er begann bald, unabhängig an einer wichtigen Grabskulptur zu arbeiten. In den Jahren 1266-1267 arbeitete er in Rom für König Karl I. von Anjou und porträtierte ihn in der berühmten Statue im Campidoglio. Um 1282 vollendete er das Denkmal für Kardinal Guillaume de Braye in der Kirche San Domenico in Orvieto, darunter eine thronende Madonna (a Maestà), für die er eine antike römische Statue der Göttin Abundantia zum Vorbild nahm; Die Tiara und die Juwelen der Madonna reproduzieren antike Modelle. In Rom hatte Arnolfo die kosmateske Kunst gesehen, und ihr Einfluss zeigt sich in den Intarsien- und polychromen Glasdekorationen in der Basilika Saint Paul vor den Mauern und der Kirche Santa Cecilia in Trastevere, wo er 1285 bzw. 1293 arbeitete. In dieser Zeit arbeitete er auch am Presepio von Santa Maria Maggiore, an Santa Maria in Aracoeli, am Denkmal von Papst Bonifatius VIII. (1300) und an der Bronzestatue von St. Peter im Petersdom.
In den Jahren 1294-1295 arbeitete er in Florenz hauptsächlich als Architekt. Laut seinem Biographen Giorgio Vasari war er für den Bau der Kathedrale der Stadt verantwortlich, für die er die Statuen zur Verfügung stellte, die einst den unteren Teil der 1589 zerstörten Fassade schmückten. Die erhaltenen Statuen befinden sich heute im Museum der Kathedrale. Während das Design der Kirche Santa Croce Arnolfo zugeschrieben wurde, ist dies höchst umstritten. Vasari schrieb ihm auch den Stadtplan der neuen Stadt San Giovanni Valdarno zu.
Der monumentale Charakter von Arnolfos Werk hat das Erscheinungsbild von Florenz geprägt. Seine Grabdenkmäler wurden zum Vorbild für die gotische Grabkunst.
Giorgio Vasari hat eine Biographie von Arnolfo in sein Leben der hervorragendsten Maler, Bildhauer und Architekten aufgenommen.