Arnolfo est né à Colle Val d’Elsa, en Toscane.
Il a été l’assistant principal de Nicola Pisano sur la chaire en marbre de la cathédrale de Sienne pour le Duomo de la cathédrale de Sienne (1265-1268), mais il a rapidement commencé à travailler de manière indépendante sur une importante sculpture tombale. En 1266-1267, il travaille à Rome pour le roi Charles Ier d’Anjou, le représentant dans la célèbre statue logée dans le Campidoglio. Vers 1282, il termine le monument au cardinal Guillaume de Braye dans l’église de San Domenico à Orvieto, comprenant une Vierge trônant (une Maestà) pour laquelle il prend pour modèle une ancienne statue romaine de la déesse Abundantia; la tiare et les bijoux de la Vierge reproduisent des modèles antiques. À Rome, Arnolfo avait vu l’art cosmatesque, et son influence peut être vue dans les décorations en verre intarsia et polychrome de la Basilique Saint-Paul-Hors-les-Murs et de l’église Santa Cecilia de Trastevere, où il a travaillé respectivement en 1285 et 1293. Pendant cette période, il a également travaillé sur le presepio de Santa Maria Maggiore, sur Santa Maria in Aracoeli, sur le monument du pape Boniface VIII (1300) et sur la statue en bronze de Saint Pierre dans la basilique Saint-Pierre.
En 1294-1295, il travaille à Florence, principalement comme architecte. Selon son biographe Giorgio Vasari, il était responsable de la construction de la cathédrale de la ville, pour laquelle il a fourni les statues décorant autrefois la partie inférieure de la façade détruite en 1589. Les statues qui subsistent sont maintenant au Musée de la cathédrale. Bien que la conception de l’église de Santa Croce ait été attribuée à Arnolfo, cela est très contesté. Vasari lui a également attribué le plan urbain de la nouvelle ville de San Giovanni Valdarno.
Le caractère monumental de l’œuvre d’Arnolfo a marqué l’apparence de Florence. Ses monuments funéraires sont devenus le modèle de l’art funéraire gothique.
Giorgio Vasari a inclus une biographie d’Arnolfo dans ses Vies des Plus Excellents Peintres, Sculpteurs et Architectes.