Nasce nel 1926 nel Montefeltro, vive l'infanzia e la formazione presso Pesaro. Studia Architettura e, come suo fratello Giò, esordisce come disegnatore, decoratore ed artigiano del metallo. Negli anni insegna nei dipartimenti d'arte delle università americane: alla Stanford University, a Berkeley, al Mills College. Nel 1996 costituisce la Fondazione Arnaldo Pomodoro, che nel 2005 ha iniziato la sua attività espositiva nella sede di Via Solari 35 a Milano. Nel 1954 si trasferisce a Milano. Le sue opere degli anni Cinquanta sono altorilievi dove emerge una scrittura inedita nella scultura. Passa al tuttotondo nei primi anni Sessanta e poi alla grande dimensione. Espone nelle gallerie e nei musei di tutto il mondo tra cui: la Rotonda di via Besana a Milano (1974), il Forte Belvedere di Firenze (1984), i Giardini del Palais Royal (2002), nel centro cittadino di Lugano (2004), lungo la cinta muraria di Paestum (2005), Palazzo Magnani di Reggio Emilia (2006), la Fortezza del Priamar di Savona (2007).  Inoltre presenta mostre itineranti nei più importanti musei americani. Le sue opere sono in grandi piazze (Milano, Copenaghen, Brisbane, Los Angeles, Darmstadt), al Trinity College a Dublino, nel Cortile della Pigna dei Musei Vaticani, nel piazzale delle Nazioni Unite a New York e nelle raccolte pubbliche maggiori. Negli anni si dedica anche alla scenografia con macchine spettacolari in grandi occasioni teatrali italiane; da ultimo realizza le scene e i costumi per l'opera "Teneke" di F. Vacchi messa in scena in prima assoluta al Teatro alla Scala (2007) con la regia di E. Olmi e la direzione di R. Abbado. Riceve numerosi riconoscimenti ufficiali a San Paolo del Brasile (1963), a Venezia (1964), a Pittsburgh (1967), il Praemium Imperiale a Tokyo (1990), la Laurea honoris causa in Lettere nell'Università di Dublino (1992) e quella in Ingegneria edile-Architettura dell'Università di Ancona (2001), il premio alla carriera dell'International Sculpture Center (2008). 

È membro dell'Accademia Nazionale di San Luca dal 1989.