В пятилетнем возрасте впервые выступила перед королевой и маркизой де Помпадур. Училась пению у Пьера де Желиотта, актёрскому мастерству — у мадемуазель Клерон. В 1757 году дебютировала как оперная певица и выступала на сцене до 1778 г. Арну пользовалась значительным успехом как в операх французского репертуара (Люлли, Рамо, Монсиньи), так и в заглавной партии «Ифигении в Авлиде» Глюка (1774).
По окончании сценической карьеры Арну осталась на авансцене парижской культурной жизни в роли хозяйки салона. Салон Софи Арну был открыт дважды в неделю, причём один из этих дней, четверг, был предназначен только для женщин. Остроумие и интеллект певицы сделали её салон излюбленным местом встречи виднейших французских интеллектуалов — Вольтера, Дидро, д'Аламбера, Лагарпа и в особенности Бомарше, с которым Арну находилась в приятельских отношениях. Арну принадлежит или приписывается ряд изящных афоризмов и bon mots.
Среди афоризмов Арну: «Женщины отдаются богу, когда дьявол уже не желает иметь с ними дела». Кроме того, известен следующий анекдот: «На исповеди перед смертью Арну вспоминала о приступах ревности одного из своих любовников. Священник воскликнул: „Дочь моя, сколько же тебе приходилось страдать!“ — „Ах, это было прекрасное время. Я была так несчастна!“ — ответила певица».
Жизни Софи Арну посвящены написанные от её лица писателем Ламот-Лангоном мемуары-мистификация (фр. M?moires de Mademoiselle Sophie Arnoult, recueillis et publi?s par la Baron de Lamothe Langon; Париж, 1837), документальная книга Эдмона де Гонкура (фр. Sophie Arnould : d'apr?s sa correspondance et ses m?moires in?dits; Париж, 1893), опера Габриэля Пьерне (1927).
