Tochter der Maximiliane La Roche und des Großkaufmanns Peter Anton Brentano; Enkelin der Schriftstellerin Sophie La Roche und Schwester des Dichters Clemens Brentano. Bis zu ihrem 13. Lebensjahr wurde sie im Pensionat des Ursulinenklosters in Fritzlar erzogen. Nach dem Tod ihrer Eltern lebte sie bei ihren Geschwistern in Frankfurt, dann bei ihrer Großmutter La Roche in Offenbach. Dort lernte sie Künstler, Gelehrte, deutsche Jakobiner und französische Emigranten kennen und erhielt vielfältige Anregungen. In Marburg, wo sie eine Zeitlang bei ihrer verheirateten Schwester Gunda Savigny lebte, befreundete sie sich mit Karoline von Günderrode, zu deren Andenken sie später den Briefroman »Die Günderode« schrieb. Seit 1806 hatte sie Kontakt zum Goetheschen Hause und ab 1810 lebte sie bei den Savignys in Berlin, wo sie 1811 Achim von Arnim, den Freund ihres Bruders Clemens, heiratete. Sie hatte sieben Kinder, lebte während der Ehejahre abwechselnd auf Gut Wiepersdorf in der Mark Brandenburg und Berlin, nach dem Tod ihres Mannes (1831) fast ausschließlich in Berlin. Nun begann eine Zeit reger schriftstellerischer Tätigkeit und lebhafter Kontakte zu vielen bedeutenden Zeitgenossen. Sie nahm offen Partei für die Demokratie, engagierte sich karitativ und sozialpolitisch und trat für die Rechte der Frauen ein.
Sie verfaßte eine Reihe Briefbücher, in denen sie dokumentarisches Material und Fiktion verband. 1835 erschien »Goethe's Briefwechsel mit einem Kinde«, 1840 »Die Günderode« und 1844 »Clemens Brentano's Frühlingskranz, aus Jugendbriefen ihm geflochten«. Der Briefwechsel mit dem jüngeren Philipp Nathusius liegt dem 1848 veröffentlichtem Briefroman »Ilius Pamphilius und die Ambrosia« zugrunde. Außerdem schrieb sie das sozialkritische Werk »Dieses Buch gehört dem König« (1843), dessen Fortsetzung »Gespräche mit Dämonen« 1852 folgte.