Arnolfo werd geboren in Colle Val d’Elsa, Toscane.
Hij was de belangrijkste assistent van Nicola Pisano aan de marmeren preekstoel voor de Dom van Siena (1265-1268), maar hij begon al snel zelfstandig te werken aan een belangrijk grafbeeldhouwwerk. In 1266-1267 werkte hij in Rome voor koning Karel I van Anjou, die hij afbeeldde in het beroemde standbeeld dat zich in de Campidoglio bevindt. Rond 1282 voltooide hij het monument voor kardinaal Guillaume de Braye in de kerk van San Domenico in Orvieto, inclusief een tronende Madonna (een Maestà) waarvoor hij een oud Romeins beeld van de godin Abundantia als model nam; de tiara en juwelen van de Madonna zijn naar antiek model. In Rome had Arnolfo de Cosmateske kunst gezien, en de invloed daarvan is te zien in de intarsia en de polychrome glasdecoraties in de Basiliek van Sint Paulus buiten de Muren en de kerk Santa Cecilia in Trastevere, waar hij respectievelijk in 1285 en 1293 werkte. In deze periode werkte hij ook aan de presepio van Santa Maria Maggiore, aan Santa Maria in Aracoeli, aan het monument van Paus Bonifatius VIII (1300) en aan het bronzen beeld van de H. Petrus in de Sint-Pietersbasiliek.
In 1294-1295 werkte hij in Florence, voornamelijk als architect. Volgens zijn biograaf Giorgio Vasari was hij belast met de bouw van de kathedraal van de stad, waarvoor hij de beelden leverde die ooit het onderste deel van de in 1589 verwoeste voorgevel sierden. De overgebleven beelden bevinden zich thans in het Museum van de Kathedraal. Hoewel het ontwerp van de kerk van Santa Croce aan Arnolfo wordt toegeschreven, wordt dit sterk betwist. Vasari schreef hem ook het stedenbouwkundig plan van de nieuwe stad San Giovanni Valdarno toe.
Het monumentale karakter van Arnolfo’s werk heeft zijn stempel gedrukt op het aanzien van Florence. Zijn grafmonumenten werden het model voor de gotische grafkunst.
Giorgio Vasari nam een biografie van Arnolfo op in zijn Lives of the Most Excellent Painters, Sculptors, and Architects.