Née aux Etats-Unis, Arielle Dombasle grandit au Mexique où son grand-père est Ambassadeur de France. Après le décès prématuré de sa mère, l'adolescente est élevée par une grand-mère qui lui transmettra son goût du voyage et son caractère fantasque. Formée à la danse classique, elle fonde très tôt une troupe de théâtre, avant de s'installer à Paris en 1976, et d'y multiplier cours de chant et de comédie.
Arielle apparaît à l'écran en 1978 dans Perceval le Gallois d'Eric Rohmer qui deviendra l'un de ses réalisateurs-fétiches. Le maître de la Nouvelle vague offrira à cette blonde éthérée un rôle, écrit 20 ans plus tôt pour Bardot, dans Pauline a la plage et la retrouvera pour Le Beau Mariage et, en 1993, L' Arbre, le maire et la mediatheque. Avec son mélange unique de candeur et de sophistication, l'actrice devient l'égérie d'un cinéma littéraire et exigeant, de Robbe-Grillet à Peter Handke. Elle est aussi une figure familière de l'univers baroque de Raoul Ruiz notamment dans Fado, majeur et mineur et, en 2001, Les Ames fortes.
Mais celle qui a longtemps eu l'image d'une actrice intellectuelle prend part dans les années 90 à plusieurs comédies à succès, telles qu'Un indien dans la ville en 1994 et Astérix et Obélix contre César de Zidi, dans lesquelles son sens de l'autodérision fait merveille. Curieuse et passionnée, la comédienne, passée à deux reprises derrière la caméra (les intrigants Chassé-croisé et Les Pyramides bleues), est nommée en 1998 au César du meilleur second rôle féminin pour L' Ennui de Cédric Kahn.
Personnalité hors-normes qui a su se faire une place dans le cinéma français, Arielle Dombasle campe en 2004 une extravagante "Parisienne" chez Claude Lelouch dans Les Parisiens et Le Courage d'aimer. Elle poursuit, en parallèle de ses autres activités (notamment le théâtre, la musique et la télévision), en apparaissant plus ou moins furtivement dans des films comme Gradiva d'Alain Robbe-Grillet, Nouvelle chance d'Anne Fontaine, La Possibilité d'une île de Michel Houellebecq et Sagan de Diane Kurys.
Durant les années 2010, on la voit sous la houlette de Jean-Pierre Mocky (Crédit pour tous), Volker Schlöndorff (La Mer à l'aube) et Pascal Thomas (Valentin Valentin). Elle retrouve aussi Diane Kurys pour Ma mère est folle. Parallèlement, la native de Hartford réalise Opium en 2013, librement inspiré d’Opium, journal d'une désintoxication de Jean Cocteau, puis cinq ans plus tard Alien Crystal Palace. Côté télévision, elle prend part à des téléfilms comme Coup de foudre à l'île Maurice.
On la voit également dans trois épisodes de Plan coeur. Début 2023, Arielle Dombasle campe la mère de Philippe Lacheau dans Alibi.com 2.