Arthur, dix ans, passe ses vacances chez sa grand-mère dans une maison isolée de la campagne américaine, bercé par les récits d'aventures africaines de son grand-père disparu. Menacée d'expulsion faute d'argent, la maison familiale risque d'être rasée par un promoteur immobilier peu scrupuleux. Pour sauver sa grand-mère, Arthur se lance dans la quête d'un trésor légendaire évoqué dans le grimoire laissé par son aïeul, ce qui le conduit à pénétrer dans le monde minuscule et merveilleux des Minimoys. Il y noue une alliance avec la princesse Sélénia pour affronter le redoutable Maltazard.
L'idée originelle, celle d'un petit garçon capable de pénétrer dans un monde de lutins, est née de la collaboration entre Patrice et Céline Garcia, avant que Luc Besson ne décide d'en tirer d'abord une série de romans illustrés publiés à partir de 2002. Le réalisateur a mené un long casting international pour trouver l'interprète d'Arthur avant de choisir le jeune Freddie Highmore, alors récemment révélé dans Charlie et la Chocolaterie. Besson a choisi de mêler prises de vues réelles et animation en images de synthèse plutôt que de réaliser un film entièrement animé, afin de conserver un ancrage dans un monde filmé avec de vrais comédiens.
La critique française a salué l'ambition technique et visuelle du projet tout en reprochant au scénario de multiplier les références à d'autres œuvres populaires, des Voyages de Gulliver à Star Wars. Le public a réservé un très bon accueil au film, qui a rencontré un large succès commercial en France et a permis de lancer une franchise déclinée en suites, jeux vidéo et attractions de parc à thème. Le film n'a pas obtenu de récompense cinématographique majeure, mais son succès populaire a confirmé la capacité de Luc Besson à toucher un public familial.
Luc Besson a expliqué avoir dû faire jouer l'intégralité des scènes des Minimoys par de véritables comédiens filmés avec huit caméras, avant que les infographistes ne reproduisent leurs mouvements sur les personnages numériques. Le tournage a mobilisé près de 225 personnes rien que pour le travail d'animation sur le site de Pantin, la plupart découvrant à cette occasion le métier de l'animation numérique. La version originale anglaise a réuni un casting vocal de stars pour les personnages Minimoys, dont Madonna, David Bowie et Robert De Niro, tandis que la version française a fait appel à Mylène Farmer pour doubler la princesse Sélénia. La réalisation des séquences en images de synthèse a nécessité vingt-sept mois de travail et le calcul de plusieurs millions d'images.
Le film aborde le passage à l'âge adulte à travers le prisme du merveilleux, ainsi que la transmission familiale incarnée par les récits du grand-père disparu. Il questionne aussi la solidarité et le courage face à l'adversité, le jeune héros devant apprendre à dépasser sa peur pour sauver ceux qu'il aime.
Arthur parvient à mettre la main sur le trésor caché par son grand-père et à vaincre Maltazard avec l'aide des Minimoys, ce qui permet à sa grand-mère de sauver la maison familiale de la démolition. Le dénouement laisse également entendre que le grand-père d'Arthur pourrait avoir un lien plus direct encore avec le monde des Minimoys, ouvrant la voie aux volets suivants.
Le titre associe le prénom du jeune héros au nom des Minimoys, le peuple miniature qu'il découvre au cours de son aventure, un nom inventé par Luc Besson et Céline Garcia pour désigner ces créatures de quelques millimètres.
La musique du film est signée Éric Serra, compositeur fidèle de Luc Besson depuis ses débuts, à l'exception du seul film Angel-A.
L'univers d'Arthur et les Minimoys continue d'exister au-delà du cinéma, notamment via des attractions dans les parcs Futuroscope et Europa-Park, et la franchise a connu un prolongement inattendu avec un quatrième film au ton plus horrifique.
Le film a lancé une trilogie complétée par Arthur 2, Et la Vengeance de Maltazard et Arthur 3, la Guerre des Deux Mondes, et peut être rapproché d'autres aventures mêlant héros miniatures et monde réel comme Chérie, j'ai rétréci les gosses.