Arnolfo urodził się w Colle Val d’Elsa, w Toskanii.
Był głównym asystentem Nicola Pisano przy marmurowej ambonie katedralnej w Sienie dla Duomo w katedrze w Sienie (1265-1268), ale wkrótce rozpoczął samodzielną pracę nad ważną rzeźbą nagrobną. W latach 1266-1267 pracował w Rzymie dla króla Karola I Andegaweńskiego, portretując go w słynnym posągu umieszczonym w Campidoglio. Około 1282 r. ukończył pomnik kardynała Guillaume de Braye w kościele San Domenico w Orvieto, w tym intronizowaną Madonnę (Maesta), dla której za model posłużył mu starożytny rzymski posąg bogini Abundantia; tiara i klejnoty Madonny odtwarzają antyczne modele. W Rzymie Arnolfo zapoznał się ze sztuką kosmatą, a jej wpływ widać w intarsjach i polichromii szklanej w Bazylice św. Pawła za Murami i w kościele Santa Cecilia w Trastevere, gdzie pracował odpowiednio w 1285 i 1293 roku. W tym okresie pracował również nad prezbiterium Santa Maria Maggiore, nad Santa Maria in Aracoeli, nad pomnikiem papieża Bonifacego VIII (1300) oraz nad brązowym posągiem św. Piotra w Bazylice św. Piotra.
W latach 1294-1295 pracował we Florencji, głównie jako architekt. Jak podaje jego biograf Giorgio Vasari, kierował budową katedry miejskiej, dla której wykonał posągi zdobiące niegdyś dolną część fasady zniszczonej w 1589 roku. Ocalałe rzeźby znajdują się obecnie w Muzeum Katedralnym. Chociaż projekt kościoła Santa Croce przypisuje się Arnolfo, jest to mocno kwestionowane. Vasari przypisuje mu również urbanistyczny plan nowego miasta San Giovanni Valdarno.
Monumentalny charakter dzieł Arnolfo odcisnął piętno na wyglądzie Florencji. Jego pomniki pogrzebowe stały się wzorem dla gotyckiej sztuki funeralnej.
Giorgio Vasari zamieścił biografię Arnolfo w swoich Żywotach najznakomitszych malarzy, rzeźbiarzy i architektów.