Acteur dans une troupe de théâtre pendant la Deuxième Guerre Mondiale, Arthur Penn entre à la chaîne de télévision américaine NBC à la fin des années 40. Le réalisateur y fait ses premiers pas derrière la caméra, en signant plusieurs épisodes des séries "The Philco television playhouse" et "Goodyear television playhouse".

Ses débuts de metteur en scène pour le cinéma, Arthur Penn les effectue en 1958 avec Le Gaucher. Fort de son expérience acquise sur les plateaux de télévision, le réalisateur donne un nouveau souffle au mythe de Billy the kid, interprété par Paul Newman, et introduit pour la première fois des éléments psychanalytiques dans le genre ultra-formaté du western. Quatre plus tard, le cinéaste aborde pour la première fois les thèmes récurrents de son oeuvre : la faillite du mythe américain et la place des exclus dans la société. Dans Miracle en Alabama (1962), c'est une jeune fille aveugle, sourde et muette qui tente désespérément de communiquer avec son entourage. Un thème qui vaut à sa comédienne principale Anne Bancroft l'Oscar de la meilleure actrice et à Patty Duke celui du meilleure second rôle féminin, alors qu'Arthur Penn est nommé pour sa réalisation.

Après avoir été remplacé par John Frankenheimer sur le tournage du film de guerre Le Train en 1964, Arthur Penn filme encore l'Amérique malade, sous l'angle du polar cette fois, dans La Poursuite impitoyable (1965), ou le terrible face à face entre le sheriff Marlon Brando et le hors la loi Robert Redford. Deux ans plus tard, le talent et la vision du cinéaste éclatent dans Bonnie and Clyde. Odyssée ultra-violente et désabusée sur fond de grande dépression, Bonie and Clyde marque critiques et public par sa noirceur et propulse ses deux comédiens, Warren Beatty et Faye Dunaway, dans la légende du septième art. Deux Oscars et sept autres nominations viennent récompenser le jusqu'au-boutisme de l'oeuvre, tirée d'une histoire vraie.

En 1970, c'est Dustin Hoffman qui illustre à sa manière l'Amérique malade dans Little Big Man, en membre vieillissant d'une communauté indienne laissée à l'abandon par une nation incapable de l'accepter. Peu prolifique (16 films en près de 50 ans de carrière), Arthur Penn laisse poindre son angoisse de la Guerre du Vietnam dans le polar désenchanté La Fugue (1975) pour lequel il retrouve Gene Hackman, déjà présent au générique de Bonnie and clyde. En 1980, le réalisateur écorne une fois de plus le mythe de l'american way of life à travers les yeux d'un jeune immigré yougoslave fraîchement débarqué aux Etats-Unis dans Georgia. Dans les années 80, Arthur Penn se tourne vers un cinéma plus commercial, comme les thrillers Target (1985) ou Froid comme la mort (1986).