Родился 11 сентября 1871 года в Петербурге. Учился у профессоров Н. Черепнина и Н. Соловьева. Свою дирижерскую карьеру начал в 1897 году в Санкт-Петербурге.

С 1905 года руководил оперными постановками в петербургском Народном доме Николая II. В 1905–1906 годах дирижировал спектаклями с участием Фёдора Шаляпина, включая «Князя Игоря», «Моцарта и Сальери» и «Русалку». Работал в провинциальных театрах и в петербургском Театре музыкальной драмы с 1913 по 1918 годы.

После 1918 года Павлов-Арбенин работал в московском Большом театре и в оперных театрах Баку, Казани, Самары, Тбилиси и Екатеринбурга. С 1934 года занимал должность главного дирижера Театра оперы и балета в Саратове.

Критики считали Павлова-Арбенина талантливым дирижером, хотя его интерпретации некоторых произведений вызывали споры. Под его руководством были поставлены такие оперы, как «Кармен», «Евгений Онегин», «Пиковая дама», «Царская невеста», «Сказка о царе Салтане», «Тангейзер», «Фауст», «Снегурочка», «Шахсенем» и «За серп и молот».

А. В. Павлов-Арбенин скончался 22 июня 1941 года в Ленинграде и был похоронен на Волковском лютеранском кладбище.