Andrea P. Arnold de son nom complet, est l'aîné des quatre enfants. Elle arrête ses études à la fin des années 70 pour se consacrer à des apparitions télévisuelles en tant que danseuse dans des émissions telles que "Top of the Pops". Elle fait par la suite des études à l'American Film Institute Conservatory dont elle sort diplômée en 1991.
Elle commence alors une carrière à la fois de scénariste et d'actrice de télévision, signant d'abord certains dialogues de la série britannique "No 73" en 1982-1983, puis en apparaissant l'année suivante dans la sitcom familiale "On Safari". Elle obtient finalement un second rôle récurrent dans "No 73" en 1982 dans lequel elle jouera jusqu'en 1987 puis dans "7T3" en 1988.
Sa carrière de comédienne se termine là lorsque la jeune femme devient mère d'une petite fille et fait une pause dans son parcours professionnel à la télévision. Elle passe quelques années plus tard de la TV au cinéma et se concentre à la fois sur la scénarisation et sur la réalisation. Mettant en scène plusieurs courts-métrages dont elle signe à chaque fois le scénario (Milk -1997-, "Dog" -2001), c'est le troisième qu'elle réalise, Wasp, pour lequel elle est récompensée de l'Oscar du Meilleur court-métrage de fiction en 2004, qui l'a fait remarquer par la profession. Le film, rappelant son enfance, se penche sur la difficulté d'une femme à élever seule ses quatre enfants et sur la fuite qu'elle prend vis-à-vis de ses responsabilités. Elle est invitée après cela à rejoindre en 2005 l'Academy of Motion Picture Arts and Sciences.
Cette reconnaissance lui permet de passer au format long-métrage en 2006 avec Red Road, dans lequel on retrouve l'actrice principale de son court oscarisé, Nathalie Press. Le film est chaleureusement applaudi à travers le monde et reçoit notamment le prix du jury au festival de Cannes 2006. Mais c'est Fish Tank, qu'elle réalise en 2009, qui finit de consacrer la réalisatrice. Comme son précédent long-métrage, il remporte le prix du jury cannois ainsi que le BAFTA du Meilleur film britannique. C'est aussi la première réalisation d'Arnold qui fait appel à un acteur du calibre de Michael Fassbender, qui incarne le séduisant et mystérieux amant de la mère de l'héroïne.
Son film suivant, une adaptation personnelle des Hauts de Hurlevent, en 2011, passe en comparaison grandement inaperçu. Andrea Arnold est cependant membre du jury cannois en 2012, sous la présidence de Nanni Moretti et enchaîne l'année suivante avec la Mostra de Venise. Revenue à Cannes en 2014, elle y préside la semaine de la Critique. En 2016, elle livre American Honey, un road movie emmené par Shia LaBeouf et surtout la révélation Sasha Lane qui remporte le prix du jury à Cannes.
Après avoir réalisé quelques épisodes de la série Big Little Lies, Andrea Arnold est de retour sur la Croisette en 2021 avec un projet des plus originaux, Cow, un documentaire suivant le quotidien de deux vaches. Cette même année, elle préside le jury Un Certain Regard.