Arnold começou sua carreira como ator na Inglaterra entre 1937 e 1939. Depois dirigiu alguns documentários, mas só passou a ser conhecido pelas produções de ficção-científica e horror que fez na década de 1950. Nessa época, seus maiores êxitos foram os filmes Veio do Espaço (It Came from Outer Space, 1953), O Monstro da Lagoa Negra (Creature from the Black Lagoon, 1954), Tarântula (Tarantula, 1955), e sua obra-prima O Incrível Homem Que Encolheu (The Incredible Shrinking Man, 1957). Dirigiu ainda pequenos faroestes, como o expressivo Balas Que Não Erram (No Name on the Bullet, 1959), veículo para o mocinho Audie Murphy. Também em 1959 filmou na Inglaterra a excelente comédia O Rato Que Ruge (The Mouse That Roared), estrelada por um Peter Sellers em início de carreira. Na década de 1960 fez mais comédias, inclusive com Bob Hope, mas a essa altura já perdera o brilho.

Paralelamente a seu trabalho no cinema, em 1955 Arnold começou a trabalhar em televisão, dirigindo episódios para o programa Science Fiction Theater. Depois dirigiu episódios de várias séries, entre elas Perry Mason, Peter Gunn, Rawhide, Alias Smith and Jones, A Família Sol-Lá-Si-Dó e A Ilha dos Birutas.

Seu último longa-metragem foi Marilyn, Sonhos e Realidades (Marilyn: The Untold Story, 1980), feito para a TV.

Arnold morreu de arterioesclerose aos 75 anos de idade.