Docteur en théologie à la Sorbonne, sa fidélité à Saint-Cyran et ses différends avec les jésuites qu’il attaquait lui valurent d'être censuré et exclu de l’université en 1656. A cette occasion, Blaise Pascal prit sa défense avec ses Provinciales. Retiré à Port-Royal-des-Champs, il y poursuivit une double œuvre d’apologiste contre les protestants (Le Renversement de la morale de Jésus-Christ par les calvinistes, 1672) et de professeur aux Petites Ecoles des Champs. Il dut alors alterner les périodes de clandestinité et les séjours à Port-Royal. Il y accomplit une importante activité éditoriale, tant seul qu'avec des collaborateurs comme Claude Lancelot ou Pierre Nicole.
En 1660, il publia, avec Lancelot, une Grammaire générale et raisonnée qui, contenant des éléments du discours, fut une étape importante dans l'histoire de la grammaire qui inspira les pédagogues et les réflexions sur la langue des philosophes du 18ème siècle. Ce traité fut complété la Logique ou l'Art de penser, ouvrage dans lequel Arnauld et Nicole traitaient successivement des idées, du jugement, du raisonnement et de la méthode. Ils y combattaient le sensualisme et insistent sur la proximité du langage et de la pensée
Quand, en 1679, reprirent les persécutions contre Port-Royal, il dut s'exiler au Pays-Bas.
A Bruxelles, début août 1694, il attrapa un rhume auquel il était souvent sujet et qu’il ne considéra pas comme dangereux. Le mal empira et l’emporta en quelques jours.
Esprit universel qui étonnait Leibniz, prenant toujours l'expérience concrète pour base de sa réflexion théologique, cartésien dans ses principes, c'est par lui que le jansénisme a marqué la pensée et la littérature de son siècle.
Le grand Arnauld fut inhumé nuitamment en l’ancienne église Sainte-Catherine de Bruxelles, à ne pas confondre avec l’existante.
Son cœur embaumé fut porté à Port-Royal-des-Champs où il resta jusqu’en septembre 1710, date à laquelle, avant les grandes exhumations de l’abbaye, il fut transporté en l’église Saint-Martin de Palaiseau par son parent le marquis de Pomponne.
En 1893, l’église Sainte-Catherine fut détruite, il n’en reste que la tour baroque, et les cendres d’Antoine Arnauld furent menées jusqu’au cimetière d’Evere.