Es hijo de un representante de ventas y de una ama de casa, reconvertida en formadora de adultos. Tiene una hermana mayor, Marie, novelista, y dos hermanos gemelos menores que él, Raphaëlle, guionista, y Fabrice, diplomático y actor en varias de sus películas. Tiene un hijo nacido en 2006, fruto de su relación con la escritora Florence Seyvos.^[4]​

Decidido a ser cineasta desde niño, estudió en el Instituto de Altos Estudios de Cinematografía (en francés Institut des Hautes Études Cinématographiques - IDHEC). Allí coincidió con otros cineastas franceses como Noémie Lvovsky, Pascale Ferran o Éric Rochant, con los que colaboró en numerosas ocasiones.^[5]​

A principios de la década de 1990 inició su carrera como director con el mediometraje La Vie des morts en el que ya participaron algunos de sus actores preferidos como Marianne Denicourt, Emmanuel Salinger o Emmanuelle Devos, y que, tras su paso por el Festival Premiers Plans de Angers, fue seleccionado para la Semana de la Crítica del Festival de Cannes y le hizo ganar el Premio Jean Vigo.^[6]​

En 2004 tras el estreno de Rois et Reine, uno de sus grandes éxitos, fue acusado por la actriz Marianne Denicourt, con la que había tenido una relación amorosa, de usar elementos de su vida privada para escribir el guion de la película. La actriz publicó en 2005 un libro escrito en colaboración con la periodista Judith Perrignon titulado Mauvais génie, en el que describía su relación con un director de cine sin escrúpulos llamado Arnold Duplancher. Posteriormente demandó a Desplechin por invasión de la privacidad, y solicitó una compensación de 200 mil euros por daños y perjuicios. La demanda fue desestimada en 2006.^[7]​ La actriz volvió a hablar del caso en 2024, en una entrevista en la revista Elle, en la que afirmó que «con esa película, Arnaud Desplechin violó mi intimidad».^[8]​

•   Oficial de la Orden de las Artes y las Letras (  Francia, 2014)..^[12]​
•   Caballero de la Legión de Honor (  Francia, 2017)..^[13]​

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Arnaud Desplechin en Internet Movie Database (en inglés).