Arnolfo syntyi Colle Val d ’ Elsassa Toscanassa.
hän toimi Nicola Pisanon pääapulaisena Sienan Tuomiokirkon Duomon marmorisessa Saarnastuolissa (1265-1268), mutta alkoi pian työskennellä itsenäisesti tärkeän hautaveistoksen parissa. Vuosina 1266-1267 hän työskenteli Roomassa Anjoun kuninkaan Kaarle I: n palveluksessa ja kuvasi tätä Campidoglion kuuluisassa patsaassa. Noin vuonna 1282 hän viimeisteli kardinaali Guillaume de Brayen muistomerkin San Domenicon kirkossa Orvietossa, mukaan lukien valtaistuimelle asetettu Madonna (Maestà), jonka malliksi hän otti muinaisen roomalaisen Abundantia-jumalattaren patsaan; Madonnan tiara ja jalokivet jäljentävät antiikkimalleja. Roomassa Arnolfo oli nähnyt Kosmateskia taidetta, ja sen vaikutus näkyy Intarsiassa ja polykromilasikoristeissa Saint Paulin basilikassa muurien ulkopuolella sekä Santa Cecilia-kirkossa Trasteveressa, jossa hän työskenteli vuosina 1285 ja 1293. Tänä aikana hän työskenteli myös Santa Maria Maggioren presepiossa, Santa Maria in Aracoelissa, paavi Bonifatius VIII: n muistomerkissä (1300) ja Pietarinkirkon pronssipatsaassa.
vuosina 1294-1295 hän työskenteli Firenzessä lähinnä arkkitehtina. Elämäkertakirjailijansa Giorgio Vasarin mukaan hän vastasi kaupungin katedraalin rakentamisesta, jota varten hän toimitti vuonna 1589 tuhoutuneen Julkisivun alaosaa koristaneet patsaat. Säilyneet patsaat ovat nykyään Tuomiokirkon museossa. Vaikka Santa Crocen kirkon suunnittelun on katsottu olevan Arnolfon ansiota, tästä kiistellään suuresti. Vasari luki hänen ansiokseen myös uuden San Giovanni Valdarnon kaupungin asemakaavan.
arnolfon teoksen monumentaalinen luonne on jättänyt jälkensä Firenzen ulkonäköön. Hänen hautamuistomerkkeistään tuli goottilaisen hautajaistaiteen esikuva.
Giorgio Vasari sisällytti Arnolfon elämänkertaan mainioita taidemaalareita, kuvanveistäjiä ja arkkitehteja.