阿诺德出生于美国宾夕法尼亚州匹兹堡，1979年在普林斯顿大学获得机械与航空航天工程学士学位，1985年在加州大学伯克利分校获得化学工程博士学位，研究课题是亲和层析。博士毕业后她先在伯克利做生物化学博士后，1986年加入加州理工学院，1996年成为化学工程、生物工程和生物化学教授，2000年至2005年任化学工程系主任。

80年代末90年代初，阿诺德另辟蹊径，不再尝试理性设计蛋白质——当时认为这需要完全理解蛋白质折叠的规律，而是采用自然界本身的方法——进化。她的思路是：在试管中对酶的基因进行随机突变，将突变体转入细菌中表达出不同的酶变体，然后筛选出性能改善的变体，重复这一过程多轮，就能获得符合需求的酶。1993年，她的研究组首次成功实现了枯草杆菌蛋白酶的定向进化，使该酶在极性有机溶剂DMF中的活性提高了数百倍。这一工作开创了定向进化领域。

阿诺德将定向进化方法应用于多种重要的酶。她的研究组进化出了能催化非天然反应的细胞色素P450酶，包括C-H键的不对称胺化、碳-硅键和碳-硼键形成等自然界中不存在的反应。这些酶被用于生产药物、精细化工品和可再生燃料。定向进化技术为绿色化学提供了强大工具，利用酶催化的反应通常条件温和、选择性高、副产物少，能够显著降低化工生产的能耗和污染。

2018年，阿诺德因"酶的定向进化"获得诺贝尔化学奖，奖金的另一半授予研究噬菌体展示技术的乔治·史密斯和格雷戈里·温特。她是1901年以来第五位诺贝尔化学奖女性得主，也是第一位美国出生的女性诺贝尔化学奖得主。阿诺德的个人经历充满坎坷：她2005年患乳腺癌康复，第一任丈夫1993年因癌症去世，长子2016年因意外去世，但她始终保持对科学和生活的热忱。她积极推动科学在公共政策中的作用，2021年至2023年任拜登政府总统科技顾问委员会委员。她还是多家生物技术公司的联合创始人，致力于将定向进化技术应用于制药和可持续发展。阿诺德的爱好包括潜水、骑马和旅行。