Andrea Arnold a étudié le cinéma à l’AFI Conservatory de Los Angeles. Après plusieurs courts-métrages, elle reçoit l’Oscar du Meilleur court-métrage en prises de vues réelles pour Wasp en 2005.
En 2006, son premier long métrage, Red Road, a été récompensé par le Prix du Jury au Festival de Cannes et par le prix Carl Foreman, décerné au nouveau-venu le plus prometteur, lors des BAFTA. Son second long métrage, Fish Tank, dont les têtes d’affiche sont Michael Fassbender et Katie Jarvis, a remporté le Prix du Jury de l’édition 2009 du Festival de Cannes, ainsi que le BAFTA du meilleur film britannique en 2010.
Son troisième film, Les hauts de Hurlevent, une adaptation du roman éponyme d’Emilie Brontë, a fait ses débuts en compétition au Festival du Film de Venise de 2011.
Son dernier film, American Honey, a été tourné aux États-Unis, avec Sasha Lane et Shia LaBeouf dans les rôles principaux, et a permis à Andrea Arnold de recevoir son troisième Prix du Jury au Festival du Film de Cannes, en 2016. En 2018 et 2019, Andrea a réalisé la deuxième saison de Big Little Lies pour HBO.