Arnolfo nacque a Colle Val d’Elsa, in Toscana.
Fu l’assistente principale di Nicola Pisano sul Pulpito del Duomo di Siena in marmo (1265-1268), ma presto iniziò a lavorare indipendentemente su un’importante scultura tombale. Nel 1266-1267 lavorò a Roma per il re Carlo I d’Angiò, ritraendolo nella famosa statua ospitata in Campidoglio. Intorno al 1282 terminò il monumento al cardinale Guillaume de Braye nella chiesa di San Domenico a Orvieto, che comprende una Madonna in trono (una Maestà) per la quale prese come modello un’antica statua romana della dea Abundantia; il diadema e i gioielli della Madonna riproducono modelli antichi. A Roma Arnolfo aveva visto l’arte cosmatesca, e la sua influenza può essere vista nelle decorazioni a intarsio e a vetri policromi 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 di bronzo 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 un tempo decoravano la parte inferiore della facciata distrutta nel 1589. Le statue superstiti si trovano ora nel Museo della Cattedrale. Mentre il progetto della Chiesa di Santa Croce è stato attribuito ad Arnolfo, questo è molto contestato. Vasari gli attribuisce anche il piano urbanistico della nuova città di San Giovanni Valdarno.
Il carattere monumentale dell’opera di Arnolfo ha lasciato il segno nell’aspetto di Firenze. I suoi monumenti funerari divennero il modello dell’arte funeraria gotica.
Giorgio Vasari incluse una biografia di Arnolfo nelle sue Vite dei più eccellenti pittori, scultori e architetti.