Arnolfo wurde in Colle Val d’Elsa in der Toskana geboren.
Er war Nicola Pisanos wichtigster Assistent bei der marmornen Kanzel für den Dom in Siena (1265-1268), aber er begann bald unabhängig an einer wichtigen Grabplastik zu arbeiten. In den Jahren 1266-1267 arbeitete er in Rom für König Karl I. von Anjou und porträtierte ihn in der berühmten Statue, die sich im Campidoglio befindet. Um 1282 vollendete er das Denkmal für Kardinal Guillaume de Braye in der Kirche San Domenico in Orvieto, darunter eine thronende Madonna (eine Maestà), für die er eine antike römische Statue der Göttin Abundantia als Vorbild nahm; Diadem und Schmuck der Madonna sind antiken Vorbildern nachempfunden. In Rom hatte Arnolfo die kosmateske Kunst gesehen, und ihr Einfluss ist in den Intarsien und polychromen Glasdekorationen in der Basilika Sankt Paul vor den Mauern und der Kirche Santa Cecilia in Trastevere zu sehen, wo er 1285 bzw. 1293 arbeitete. In dieser Zeit arbeitete er auch am Presepio von Santa Maria Maggiore, an Santa Maria in Aracoeli, am Denkmal von Papst Bonifatius VIII. (1300) und an der Bronzestatue von St. Peter im Petersdom.
In den Jahren 1294-1295 arbeitete er in Florenz, hauptsächlich als Architekt. Laut seinem Biographen Giorgio Vasari war er mit dem Bau des Doms der Stadt betraut, für den er die Statuen lieferte, die einst den unteren Teil der 1589 zerstörten Fassade schmückten. Die erhaltenen Statuen befinden sich heute im Museum der Kathedrale. Während der Entwurf der Kirche Santa Croce Arnolfo zugeschrieben wird, ist dies höchst umstritten. Vasari schrieb ihm auch den Stadtplan der neuen Stadt San Giovanni Valdarno zu.
Der monumentale Charakter von Arnolfos Werk hat das Erscheinungsbild von Florenz geprägt. Seine Grabdenkmäler wurden zum Vorbild für die gotische Grabkunst.
Giorgio Vasari nahm eine Biographie Arnolfos in seine „Lebensläufe der hervorragendsten Maler, Bildhauer und Architekten“
auf.