Fille de l'acteur commercial Jean Arthur, elle est d'abord modèle puis actrice de théâtre avant de débuter au cinéma sous le patronnage de John Ford dans Cameo Kirby en 1923. Le parlant permet à cette charmante blonde de confirmer sa place de star. C'est en 1928, que la Paramount Pictures lui propse enfin des premiers rôles. Elle laisse momentanément tomber le cinéma en 1932 pour Broadway et sa pièce Foreign Affairs. Son retour en 1934 se solde par un contrat avec la Columbia Pictures pour laquelle elle tourne essentiellement des comédies verbales, exercice dans lequel elle excelle. Elle joue donc avec les plus grands cinéastes américains de cette époque comme Capra, Ford et Hawks.

En 1943, Arthur connaît son unique nommination aux Oscars Pour The More the Merrier, deuxième meilleur film des années 40 réalisé(s) par George Stevens. Son contrat fini avec la Columbia, elle tente, mais sans résultat, de devenir son propre producteur.

Suite à cet échec, elle refait deux films, l'un avec Wilder (A foreign Affair en 1948) l'autre pour George Stevens (Shane en 1952).

Dès le début des années 1960, elle abandonne totalement le cinéma et se reconvertit en professeur d'Art Dramatique au Vassar College puis à la North Carolina School of the Arts.