Formé à la classe libre du cours Florent, Arnaud Valois se fait connaître avec le film Selon Charlie de Nicole Garcia sorti en 2006, dans lequel il interprète un des rôles principaux aux côtés notamment de Jean-Pierre Bacri, Vincent Lindon ou encore Benoît Magimel. Il tourne ensuite dans Cliente de Josiane Balasko et dans La Fille du RER d'André Téchiné.Après une pause de plusieurs années avec le cinéma, il revient sur le grand écran en 2017 avec 120 battements par minute de Robin Campillo dans le rôle de Nathan, rôle principal, avec Nahuel Pérez Biscayart et Adèle Haenel. Lors de sa présentation en sélection officielle au 70e Festival de Cannes, le film crée l'événement. Il obtient le Grand Prix et fait d'Arnaud Valois l'une des révélations 2017 de la Croisette en France et sur la scène internationale.