Arnolfo nasceu em Colle Val d’Elsa, Toscana.
Foi o principal assistente de Nicola Pisano na Catedral de mármore de Siena Pulpit para a Catedral de Duomo em Siena (1265-1268), mas logo começou a trabalhar de forma independente numa importante escultura de túmulo. Em 1266-1267 trabalhou em Roma para o Rei Carlos I de Anjou, retratando-o na famosa estátua alojada no Campidoglio. Por volta de 1282 terminou o monumento ao Cardeal Guillaume de Braye na igreja de San Domenico em Orvieto, incluindo uma Madona entronizada (a Maestà), para a qual tomou como modelo uma antiga estátua romana da deusa Abundantia; a tiara da Madona e as jóias reproduzem modelos antigos. Em Roma Arnolfo tinha visto a arte Cosmatesca, e a sua influência pode ser vista nas decorações em vidro intarsia e policromia na Basílica de São Paulo Fora dos Muros e na igreja Santa Cecília em Trastevere, onde trabalhou em 1285 e 1293, respectivamente. Neste período trabalhou também no presépio de Santa Maria Maggiore, em Santa Maria in Aracoeli, no monumento do Papa Bonifácio VIII (1300) e na estátua de bronze de São Pedro na Basílica de São Pedro.
Em 1294-1295 trabalhou em Florença, principalmente como arquitecto. Segundo o seu biógrafo Giorgio Vasari, foi encarregado da construção da catedral da cidade, para a qual forneceu as estátuas que uma vez decoraram a parte inferior da fachada destruída em 1589. As estátuas sobreviventes encontram-se agora no Museu da Catedral. Embora o desenho da Igreja de Santa Croce tenha sido atribuído a Arnolfo, isto é altamente contestado. Vasari também lhe atribuiu o plano urbano da nova cidade de San Giovanni Valdarno.
p>O carácter monumental da obra de Arnolfo deixou a sua marca no aspecto de Florença. Os seus monumentos funerários tornaram-se o modelo da arte funerária gótica.
Giorgio Vasari incluiu uma biografia de Arnolfo nas suas Vidas dos Mais Excelentes Pintores, Escultores, e Arquitectos.