Scultore, architetto e urbanista, Arnolfo di Cambio nacque a Colle Val d'Elsa, in Toscana, nel 1245 circa; non è certa la sua data di morte, si presume intorno al 1302 a Firenze. Il Vasari, nella seconda edizione delle sue Vite (1568), gli dedica una lunga biografia, assai inesatta, ma significativa per il posto di preminenza che gli attribuisce fra gli architetti della fine del 200 e principio del 300. Egli lo considerava esclusivamente architetto, tanto che per un certo periodo si ipotizzò l'esistenza di un Arnolfo architetto e di un Arnolfo scultore, distinzione oggi del tutto caduta.
La prima notizia documentata su Arnolfo si ha nel 1265, quando Nicola Pisano, nel ricevere allogazione del Pulpito del Duomo di Siena, s'impegna a condurre con sé i discepoli Arnolfo e Lapo. Ma nella primavera successiva Fra Melao nota l'assenza da Siena di Arnolfo e richiama Nicola all'osservanza dei patti. Si è supposto che in quel tempo Arnolfo attendesse all'Arca di San Domenico di Bologna. Arnolfo appare nei successivi pagamenti per il Pulpito di Siena nel 1267 e 1268, poi, per otto anni, mancano sue notizie.
Nel 1276 lo ritroviamo a Roma dove gli è attribuita quale prima opera il Grande Sepolcro del Cardinale Annibaldi, ora nel chiostro di San Giovanni in Laterano. Pressoché contemporanea la Statua di Carlo d'Angiò, nel Museo del Campidoglio, e il Sepolcro di Adriano V, morto nel 1276, in San Francesco a Viterbo, opera discussa ma probabile. Nel 1281 è chiamato a Perugia per lavori a una Fonte, che è probabilmente altra dalla Fonte di Piazza, finita nel 1278 da Nicola e Giovanni Pisano, o forse si tratta di un suo corpo, connesso ma distinto. Rimangono nel Museo di Perugia due stupende figure di Assetati e, nel cortile del seminario, la figura di Scriba acefala.
Nel 1282 o poco dopo, eseguì la Tomba del Cardinale Braye in San Domenico a Orvieto. Nel 1285, "cum socio Petro", firma il Ciborio di San Paolo fuori le Mura, di architettura cosmatesca, ricomposto nella forma attuale dopo l'incendio del 1823; e nel 1293 firma il Ciborio di Santa Cecilia. Le ultime opere romane sono il Sacello del Presepe, in Santa Maria Maggiore, distrutto quando si costruì l'attuale cappella barocca, ma di cui rimangono frammenti nella cripta della cappella; e il Sacello di San Bonifacio, con il Sepolcro di Bonifacio VIII, nella vecchia Basilica Vaticana, consacrato il 6 maggio 1296 e disfatto nel 1605 da Paolo IV, che ne collocò i frammenti nelle Grotte Vaticane. In queste opere lo stile di Arnolfo si differenzia profondamente dallo stile di Nicola Pisano, accogliendo molti elementi dell'arte dei maestri marmorari cosmateschi e assumendo caratteri apparentemente arcaici e immoti. A Roma, la maniera di Arnolfo ebbe grande diffusione e la sua bottega fu largamente attiva.
Verso il 1295 Arnolfo è chiamato a Firenze dove gli viene affidata la costruzione della nuova Cattedrale di Santa Reparata, oggi chiamata Santa Maria del Fiore. Alla facciata lavorò pure come scultore: eseguì la Madonna col Bambino fra Santa Reparata e San Niccolò sopra il portale principale, la Natività e la Dormitio Virginis sulle porte laterali. Frammenti ne sono conservati al Museo dell'Opera del Duomo. Arnolfo non poté condurre a termine la costruzione della Cattedrale, e nell'attuale edificio è difficile individuare la parte dovuta a lui. Probabilmente risale a lui il progetto del grande vano dominato dalla cupola in cui si innestano le tre navate; esso denota, pur nella fondamentale ispirazione gotica, un senso dello spazio, nell'interno dell'edificio, più vivo e grandioso di quanto gli architetti gotici non solessero.
In un documento del 1300 Arnolfo è detto "il più famoso maestro e il più esperto nel costruire chiese di qualunque altro"; e il Vasari gli attribuisce una quantità di altri edifici, fra cui Palazzo Vecchio e Santa Croce, che oggi si discute se siano suoi, e gli assegna nel rinnovamento dell'architettura toscana un posto analogo a quello di Nicola e Giovanni Pisano. Si è potuto meglio ricostruire la sua figura di scultore che non di architetto. Come scultore è chiara la sua discendenza da Nicola Pisano, ma il suo stile si distacca dalla visione stipata, epica e solenne di Nicola, per volgere a una definizione più cristallina di volumi, una chiarità, una misura spaziale più scandita, con carattere di teso rigore e una suprema lezione formale.