Né le 31 mars 1966 à Lourdes, dans les Hautes-Pyrénées, Arnaud Larrieu se passionne très tôt pour le cinéma, aux côtés de son frère aîné Jean-Marie, grâce à leur grand-père qui tournait des films de montagne en 16 mm. Adolescents, ils filment à leur tour en Super 8, avant de tenter sans succès le concours de la Fémis puis de suivre des études de littérature et de philosophie. À partir du milieu des années 1980, les frères Larrieu tournent de nombreux courts métrages remarqués en festivals, dont Les Baigneurs et Bernard ou les apparitions, avant de mettre deux ans à peaufiner le scénario de leur premier long métrage, Fin d'été (1999). En 2000, ils dirigent Mathieu Amalric dans le moyen métrage La Brèche de Roland, très remarqué à la Quinzaine des Réalisateurs. Ils poursuivent avec Peindre ou faire l'amour (2004), film hédoniste sur l'échangisme sélectionné en compétition officielle à Cannes, puis Le Voyage aux Pyrénées (2008) et Les Derniers Jours du monde, adapté du roman de Dominique Noguez. Ils signent ensuite L'Amour est un crime parfait (2013) d'après Philippe Djian, 21 nuits avec Pattie (2015), Tralala (2020), comédie musicale tournée à Lourdes, et Le Roman de Jim (2024), qui vaut à Karim Leklou le César du meilleur acteur en 2025.
Leur grand-père cinéaste amateur, originaire des Hautes-Pyrénées et auteur de films de montagne, constitue l'influence fondatrice de leur vocation commune de cinéastes. Les paysages pyrénéens de leur enfance, qu'ils reviennent filmer à plusieurs reprises tout au long de leur carrière, façonnent une esthétique où les corps se confondent avec le territoire. Leur formation littéraire et philosophique nourrit également un goût affirmé pour l'adaptation d'œuvres romanesques, de Dominique Noguez à Philippe Djian.
Larrieu développe, en tandem constant avec son frère Jean-Marie, une esthétique fondée sur l'idée de filmer des corps dans le paysage ou des corps comme des paysages, selon leur propre formule. Le duo affectionne les ruptures de ton marquées, mêlant comédie, mélancolie et embardées fantaisistes au sein d'un même récit, souvent porté par la musique. Leur mise en scène privilégie le dépaysement des acteurs, qu'ils emmènent volontiers sur des territoires étrangers à leur univers habituel, tout en se dépaysant eux-mêmes en les observant évoluer dans des paysages qui leur sont familiers.
Peindre ou faire l'amour est sélectionné en compétition officielle au Festival de Cannes 2005. Le Voyage aux Pyrénées est présenté à la Quinzaine des Réalisateurs en 2008. 21 nuits avec Pattie remporte le prix du jury pour le meilleur scénario au Festival de Saint-Sébastien 2015. Le Roman de Jim vaut à Karim Leklou le César du meilleur acteur en 2025.
Son frère Jean-Marie Larrieu constitue son collaborateur indissociable, les deux hommes coécrivant et coréalisant l'intégralité de leur filmographie depuis leurs débuts. L'acteur Mathieu Amalric, dirigé à cinq reprises depuis La Brèche de Roland, ainsi que Sabine Azéma et Karin Viard, comptent parmi leurs interprètes les plus fidèles.
Les corps et le désir, filmés en résonance directe avec les paysages qui les accueillent, constituent le fil conducteur le plus identifiable de leur œuvre, de Peindre ou faire l'amour à 21 nuits avec Pattie. La famille et ses secrets, souvent revisités à travers le prisme du retour aux origines, occupent également une place centrale, notamment dans Fin d'été et Le Roman de Jim. Les frères Larrieu s'intéressent enfin à la spiritualité et au mystère, thèmes qu'ils abordent avec une légèreté fantaisiste dans Tralala, tourné dans leur ville natale de Lourdes.