Arnolfo nació en Colle Val d’Elsa, Toscana.
Fue el asistente principal de Nicola Pisano en el Púlpito de mármol de la Catedral de Siena para el Duomo de la Catedral de Siena (1265-1268), pero pronto comenzó a trabajar de forma independiente en una importante escultura de tumba. En 1266-1267 trabajó en Roma para el rey Carlos I de Anjou, retratándolo en la famosa estatua que se encuentra en el Campidoglio. Alrededor de 1282 terminó el monumento al cardenal Guillaume de Braye en la iglesia de San Domenico en Orvieto, incluyendo una Madonna entronizada (una Maestà) para la que tomó como modelo una antigua estatua romana de la diosa Abundantia; la tiara y las joyas de la Madonna reproducen modelos antiguos. En Roma, Arnolfo había visto el arte cosmatesco, y su influencia se puede ver en la intarsia y las decoraciones de vidrio policromado en la Basílica de San Pablo Extramuros y la iglesia de Santa Cecilia en Trastevere, donde trabajó en 1285 y 1293, respectivamente. En este período también trabajó en el presepio de Santa Maria Maggiore, en Santa Maria in Aracoeli, en el monumento del Papa Bonifacio VIII (1300) y en la estatua de bronce de San Pedro en la Basílica de San Pedro.
En 1294-1295 trabajó en Florencia, principalmente como arquitecto. Según su biógrafo Giorgio Vasari, estuvo a cargo de la construcción de la catedral de la ciudad, para la que proporcionó las estatuas que una vez decoraron la parte inferior de la fachada destruida en 1589. Las estatuas sobrevivientes se encuentran ahora en el Museo de la Catedral. Si bien el diseño de la Iglesia de Santa Croce se ha atribuido a Arnolfo, esto es muy controvertido. Vasari también le atribuyó el plan urbano de la nueva ciudad de San Giovanni Valdarno.
El carácter monumental de la obra de Arnolfo ha dejado su huella en la apariencia de Florencia. Sus monumentos funerarios se convirtieron en el modelo del arte funerario gótico.
Giorgio Vasari incluyó una biografía de Arnolfo en sus Vidas de los Más Excelentes Pintores, Escultores y Arquitectos.