Arnaud Valois se forme au métier d'acteur aux Cours Florent. Le jeune homme est découvert par Nicole Garcia en 2006 qui lui offre son premier rôle au cinéma dans Selon Charlie, drame avec Jean-Pierre Bacri et Vincent Lindon.

Deux ans plus tard, Arnaud fait une apparition dans la comédie dramatique Cliente de Josiane Balasko avec Nathalie Baye. En 2009, on le retrouve dans La Fille du RER sous la direction d'André Téchiné puis 2 ans plus tard dans Eyes Find Eyes. Ensuite, l'acteur décide d'arrêter là sa carrière, déçu par le milieu, et se reconvertit en masseur.

C'est en 2016 que le réalisateur Robin Campillo décide de faire appel à lui pour incarner Nathan, un des personnages principaux de 120 battements par minute, un drame qui revient sur les années Act Up Paris au début des années 90 et les débuts de la lutte contre le Sida. Arnaud, d'abord réticent, est donc sorti de sa retraite, séduit par le scénario de Campillo et après avoir vu Eastern Boys.

Il a eu bien raison, le film connaissant un triomphe à Cannes en 2017 où il remporte le Grand Prix. Sa performance dans la peau de Nathan, unanimement saluée, lui vaut la reconnaissance de ses pairs avec une nomination au César du meilleur espoir masculin aux côtés de son partenaire de jeu Nahuel Perez Biscayart.

Fort de cette réussite, Arnaud Valois participe, via des seconds rôles, à Mon bébé de Lisa Azuelos, Paradise Hills d'Alice Waddington et Garçon chiffon de Nicolas Maury. Il est en 2020 en tête d'affiche de Seize printemps, premier long métrage de Suzanne Lindon, fille de deux comédiens confirmés qu'il connaît bien : Sandrine Kiberlain et Vincent Lindon. Il y incarne un trentenaire se livrant à une idylle amoureuse avec une adolescente de 16 ans.