Arseňjev vyrůstal v rodině železničního zaměstnance, ve které bylo celkem deset dětí. V letech 1892 – 1895 absolvoval petrohradské pěchotní učiliště, kde se začal zajímat o Dálný východ. Roku 1879 se oženil s přítelkyní svých sester Annou Konstantinovnou Kadaševičovou. Hned následující den po svatbě novomanželé odjeli do polského města Łomże, kam byl Arseňjev odvelen. Narodili se jim dva synové, roku 1900 Vladimir a o dva roky později Oleg, který však jako dvouletý zemřel na nachlazení a následnou meningitidu. Roku 1900 byl na vlastní žádost převelen do Vladivostoku, kde v letech 1904 – 1905 bojoval v rusko-japonské válce, získal tři medaile a posléze dosáhl hodnosti podplukovníka.
Především se zde ale zúčastnil v letech 1902 – 1906 řady vědeckých expedicí v povodí řeky Ussuri, ze kterých vytěžil velké množství zeměpisných, etnografických a přírodovědeckých studií. Jako první popsal četné druhy sibiřské flóry a způsob života původních obyvatel. Kromě toho se stal autorem osobitých próz, v nichž spojil pozorování přírody se zájmem o hrdinské osudy lidí. Jako spisovatel je Arseňjev všeobecně známý svými dobrodružnými knihami „Na celém území Ussuri“ a „Děrsu Uzala“, v nichž vypráví o svých výpravách v Ussurské tajze spolu se svým přítelem a průvodcem, Nanajcem Děrsu Uzalem. Podle nich v roce 1975 natočil Akiro Kurosawa svůj oscarový film „Děrsu Uzala“ a tím asi udělal pro památku jejich autora vůbec nejvíc ze všech.
V letech 1906 – 1910 Arseňjev prozkoumával hory Sichote-Aliň (Chabarovský kraj). Když byl roku 1910 dekretem cara Mikuláše II. propuštěn z vojenské služby, vykonával až do roku 1918 funkci ředitele Regionálního muzea v Chabarovsku a vyučoval na Dálněvýchodní univerzitě. Pak navštívil Kamčatku.
Od poloviny roku 1918 začal Arseňjev častěji jezdit do Vladivostoku a po návratu z expedice na Kamčatku se ve městě natrvalo usadil. V dubnu 1918 oznámil své manželce, Anně Konstantinovně, že má v úmyslu se s ní rozvést. Jako důvod uvedl, že se zamiloval do Margarity Nikolajevny Solovjové, která byla o 20 let mladší než on. Její otec byl Rus, matka Francouzska. Studovala ve Švýcarsku, a kromě ruštiny plynně hovořila francouzsky, německy a anglicky. I přes značný věkový rozdíl vzniklo mezi nimi velké citové pouto.
Aby mu církev povolila rozvod, musel Arseňjev zinscenovat svoje cizoložství, v čemž mu pomohl jeho mladší bratr. K tomuto účelu pronajal hotelový pokoj v okrajové čtvrti ve Vladivostoku, kam pozval mladou prostitutku a fotografa, který udělal snímek Arseňjeva s prostitutkou v posteli. Fotografie pak byla důkazem jeho cizoložství a stačila pro uznání církevního rozvodu. Diecézní rada ve Vladivostoku udělila Arseňjevovi sedmileté pokání, které se mu však nějak podařilo obejít a v létě 1919 měl s Margaritou svatbu v kostele. Téhož roku se také Arsjeňev stal dopisovatelem washingtonské Národní geografické společnosti (zal. 1888), která vydává známý časopis National Geographic.
Známí až s podivem konstatovali duševní souznění Margarity a Vladimíra a shodu jejich zájmů. Margarita ihned převzala část povinností svého manžela – starala se o finance, zahraniční korespondenci, prováděla korektury a úpravy jeho textů. 26. dubna 1920 se jim narodila dcera Natalie. Arseňjevův vztah s první manželkou zůstal dále přátelský, a to se nezměnilo ani později. Rozvod se však dotkl jeho syna Vladimíra, který začal otce nesnášet. Uprostřed občanské války, v roce 1920, přestěhoval Arseňjev svoji první ženu se synem kvůli jejich bezpečí z Chabarovska do Vladivostoku. Během pěti následujících let pravidelně platil výživné své bývalé manželce a studium synovi na Dálněvýchodní univerzitě.
Revoluční rok 1918 však do Arseňjevova života zasáhl i tragicky. V nejtěžším období občanské války, v listopadu 1918, byli téměř všichni příbuzní Arseňjeva zastřeleni bandity na farmě poblíž ukrajinské vesnice Baturino při loupežném přepadení: otec, matka, sestry Olga a Lydia, bratr Claudius a jeho manželka Jelena. Přežily pouze neteře – osmiletá Nataša a čtyřletá Irina, dcery jeho sestry Lydie a také jeho sestra Věra a její manžel Vladimír Bogdanov, kteří bydleli v sousedním domě. Za týden po přepadení, když pohřbili své příbuzné, spolu s dětmi Lydie, navždy opustili toto tragické místo. Během vyšetřování byli mezi obyvateli Baturina identifikováni oba bandité a zanedlouho zastřeleni.
Profesně Arseňjev během ruské občanské války působil jako komisař pro národnostní menšiny nezávislé Dálněvýchodní republiky. Revoluci však vnímal jako nesmyslné orgie násilí a byl opakovaně vyslýchán sovětskými důstojníky bezpečnosti. Když byla roku 1922 Dálněvýchodní republika pohlcena Sovětským svazem, Arseňjev odmítl emigrovat a zůstal ve Vladivostoku.
Roku 1923 navštívil Komandorské ostrovy, v následujících dvou letech 1924 – 1926 se vrátil opět jako ředitel do Regionálního muzea v Chabarovsku. V roce 1927 uspořádal velkou expedici Gavaň-Chabarovsk a v lednu roku 1930 se stal vedoucím útvaru pro ekonomický výzkum nových železničních tratí Ussurijské dráhy. Z titulu této funkce vedl čtyři výpravy mířící do oblastí plánovaných železničních tratí. Podle oficiálního vyjádření se v červenci roku 1930 na inspekční cestě nachladil, vrátil se z ní nemocný 25. srpna, ale odmítl jít k lékaři. 4. září 1930 zemřel na srdeční selhání způsobené zápalem plic.
Slavnostního pohřbu známého a zřejmě oblíbeného cestovatele se zúčastnily tisíce lidí. Byl pohřben nejprve na vojenském hřbitově a když byl říjnu 1954 tento hřbitov zrušen a Arseňjevovy ostatky byly přemístěny na Námořní hřbitov ve Vladivostoku.
Bůhvíproč se po Arseňjevově smrti v novinách ve Vladivostoku objevil v červenci 1931 pomlouvačný článek, ve kterém byl cestovatel a spisovatel obviněn z „velmocenského šovinismu“, čímž se mínil „urážlivý postoj carských úředníků“ k neruským národnostním menšinám, a ze spiknutí se s Číňany a Japonci proti Rusku. Tato zpráva spolu s dalšími články vytvořila základ pro pronásledování jeho rodiny. Její osud byl tragický, jeho vdova Margarita Nikolajevna byla roku 1938 na základě falešných obvinění ze špionáže zastřelena (a roku 1958 rehabilitována), dcera byla odsouzena na deset let do gulagu (1941 – 1951), opakovaně vystavena represím a její jediné dítě zemřelo v kojeneckém věku. Syn Vladimír byl v roce 1937 zatčen a „zmizel“. Proč k tomuto pronásledování Arseňjevovy rodiny došlo, kdo na tom mohl mít zájem a komu to prospělo, případně zda šlo jen o akt nějaké závisti či nenávisti, zůstává nevyřešenou otázkou dodnes.
Arseňjevův osobní archiv po smrti otce a následně i matky opatrovala jeho dcera Natalie, byl jí však zabaven a převezen do Geografické společnosti SSSR. Po druhé světové válce u něj zmizel nedokončený rukopis Arseňjevovy knihy „Země Udege“, na kterém Arseňjev pracoval 27 let, a zůstal ztracený dodnes. Že by snad klíč k jeho posmrtnému pronásledování spočíval právě tam?
