Arnolfo est né à Colle Val d’Elsa, en Toscane.
Il fut le principal assistant 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 commença bientôt à travailler indépendamment sur une importante sculpture funéraire. En 1266-1267, il travaille à Rome pour le roi Charles Ier d’Anjou, qu’il représente dans la célèbre statue abritée au Campidoglio. Vers 1282, il termine le monument au cardinal Guillaume de Braye dans l’église San Domenico d’Orvieto, comprenant une Madone trônant (une Maestà) pour laquelle il prend pour modèle une ancienne statue romaine de la déesse Abundantia ; la tiare et les bijoux de la Madone reproduisent des modèles antiques. À Rome, Arnolfo avait vu l’art cosmatesque, dont l’influence est visible dans les décorations en marqueterie et en verre polychrome de la basilique Saint-Paul-hors-les-Murs et de l’église Santa Cecilia de Trastevere, où il travaille respectivement en 1285 et 1293. À cette époque, il travaille également au presepio de Santa Maria Maggiore, à Santa Maria in Aracoeli, au monument du pape Boniface VIII (1300) et à 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 fut chargé de la construction de la cathédrale de la ville, pour laquelle il fournit les statues qui décoraient autrefois la partie inférieure de la façade détruite en 1589. Les statues qui subsistent sont aujourd’hui conservées au musée de la cathédrale. Si la conception de l’église Santa Croce a été attribuée à Arnolfo, cela est fortement contesté. Vasari lui attribue également le plan urbain de la nouvelle ville de San Giovanni Valdarno.
Le caractère monumental de l’œuvre d’Arnolfo a marqué l’aspect 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.
La biographie d’Arnolfo a été rédigée en anglais.