Arnaz a kubai Santiagóban született, és zenészként és zenekarvezetőként kezdte pályafutását. 1933-ban az Egyesült Államokba költözött, és 1940-ben feleségül vette Ballt. Ők ketten zenés filmek sorozatában szerepeltek együtt, köztük a Túl sok lányban (1940), a That Night in Rio (1941) és a Csajok a Broadwayn (1941).
1951-ben Arnaz és Ball létrehozta az I Love Lucy című televíziós sitcomot. A show hatalmas sikert aratott, és Arnazt és Ballt a világ két legnépszerűbb sztárjává tette. Az I Love Lucy hat évadon keresztül futott, majd egy spin-off sorozat, a The Lucy-Desi Comedy Hour következett, amely három évadon keresztül futott.
A The Lucy-Desi Comedy Hour vége után Arnaz folytatta a televíziós műsorok és filmek gyártását. Az általa 1950-ben alapított Desilu Productions elnökeként is dolgozott. A Desilu Productions számos sikeres televíziós sorozatot készített, köztük a The Untouchables-t, a Star Treket és a Mission:Impossible-t.
Arnaz 1986-ban, 69 évesen hunyt el tüdőrákban. A televíziózás történetének egyik legsikeresebb és legbefolyásosabb alakjaként tartják számon.
Íme néhány további tény Desi Arnazról:
- Ő volt az első spanyol színész, aki egy nagy amerikai televíziós sorozatban szerepelt.
- Ő volt az első latin, aki Emmy-díjat nyert.
- Alapítója és elnöke volt a Desilu Productionsnak, amely Hollywood történetének egyik legsikeresebb független televíziós produkciós cége.
- 20 évig volt házas Lucille Ball-lal, két közös gyermekük született.
- 1986-ban, 69 évesen tüdőrákban halt meg.