Arnolfo nacque a Colle Val d’Elsa, in Toscana.
Fu assistente principale di Nicola Pisano sul pulpito marmoreo del Duomo di Siena (1265-1268), ma ben presto iniziò a lavorare autonomamente su un’importante scultura tombale. Nel 1266-1267 lavorò a Roma per il re Carlo I d’Angiò, raffigurandolo nella celebre statua custodita in Campidoglio. Intorno al 1282 completò il monumento al cardinale Guillaume de Braye nella chiesa di San Domenico ad Orvieto, comprendente una Madonna in trono (una Maestà) per la quale prese a modello un’antica statua romana della dea Abundantia; la tiara e i gioielli della Madonna riproducono modelli antichi. A Roma Arnolfo aveva visto l’arte cosmatesca, e la sua influenza si può vedere nelle decorazioni intarsiate e policrome in vetro nella Basilica di San Paolo fuori le Mura e nella chiesa di Santa Cecilia in Trastevere, dove lavorò rispettivamente nel 1285 e nel 1293. In questo periodo lavorò anche al presepio di Santa Maria Maggiore, a Santa Maria in Aracoeli, al monumento di Papa Bonifacio VIII (1300) e alla statua bronzea di San Pietro nella Basilica di San Pietro.
Nel 1294-1295 lavorò a Firenze, principalmente come architetto. Secondo il suo biografo Giorgio Vasari, fu incaricato della costruzione della cattedrale della città, per la quale fornì le statue che decoravano la parte inferiore della facciata distrutta nel 1589. Le statue sopravvissute sono ora nel Museo della Cattedrale. Mentre il progetto della Chiesa di Santa Croce è stato attribuito ad Arnolfo, questo è molto contestato. Il Vasari gli attribuì anche il piano urbanistico della nuova città di San Giovanni Valdarno.
Il carattere monumentale dell’opera di Arnolfo ha lasciato il segno sull’aspetto di Firenze. I suoi monumenti funerari divennero il modello per l’arte funeraria gotica.
Giorgio Vasari ha incluso una biografia di Arnolfo nelle sue Vite dei più eccellenti pittori, scultori e architetti.