ארתור פן נולד בפילדלפיה למשפחה מהמעמד הבינוני. אביו הארי היה שען, ואמו סוניה (לבית גרינברג) הייתה אחות. אחיו הגדול היה הצלם המפורסם אירווינג פן. אביו הכשיר את פן להמשיך במקצועו, אך פן נמשך מילדותו למשחק ולתיאטרון. לאחר שגויס למלחמת העולם השנייה הקים קבוצת תיאטרון במקום בו הוצב. לאחר שחרורו למד במוסדות שונים בניסיון לפתח קריירה כשחקן תיאטרון. בין היתר למד בסניף לוס אנג'לס של "אולפן השחקנים", שם למד את "השיטה", שיטת משחק המושפעת מתורתו של קונסטנטין סטניסלבסקי.
בשנת 1955 נישא לשחקנית פגי מאורר, ולזוג נולדו בן ובת.
קריירה קולנועית מוקדמת
ב-1951 החל לעבוד בטלוויזיה, תחילה כמפיק וכתסריטאי, ולאחר מכן כבמאי. ב-1958 ביים כמה הצגות מצליחות בתיאטרון, ובשנה זו ביים את סרטו הראשון, "יד שמאל הנוקמת", מערבון על אודות בילי הנער בכיכובו של פול ניומן. בסרט זה ניכרה עדיין השפעת "השיטה". המערבון השגרתי הפך למעשה להתבוננות פסיכולוגית באישיות הגיבורים ובמניעיהם, והציג את בילי הנער כבן עשרה הלוקה בבעיות הסתגלות. נאמר כי התפקיד היה מיועד במקור לג'יימס דין, ורק לאחר מכן נמסר לניומן. הסרט לא זכה להצלחה רבה, ופן המשיך את עבודתו כבמאי תיאטרון מצליח.
ב-1962 שב לביים סרטי קולנוע, וביים את הסרט "עושת הנפלאות", סיפורה של הלן קלר. יצירה זו נשאה אופי דרמטי ונוגע ללב (היו כמה ביקורות מאוחרות שגרסו כי אף הרחיקה לכת ברגשנותה), וזיכה את כוכבותיו, אן בנקרופט ופטי דיוק, בפרס אוסקר, ואת פן עצמו כמו גם את התסריטאי ויליאם גיבסון במועמדות לאוסקר.
ההצלחה של "עושת הנפלאות" אפשרה לפן חירות יצירה גדולה יותר בסרטו הבא "מיקי אחד ("Mickey One") (1965) - סרט הזוי על קומיקאי סטנד-אפ (וורן בייטי) הנרדף על ידי כוחות רשע עלומים. הניסיון האמנותי להלך בגדולות הסתיים בכישלון. הצופים והמבקרים לא הבינו את כוונתיו של פן שהתבטאו בצילום ובעריכה בהשראת הגל החדש הצרפתי. יש הטוענים כי הסרט הקדים את זמנו, וכי היה חלוץ של גל סרטי הפרנויה משנות ה-70, בנוסח "המעקב" (Parallax View) של אלן ג'יי פאקולה, אף הוא בכיכובו של ביטי.
סרטו הבא של פן היה "רדיפה" (1966), מותחן המתרחש בעיירה דרומית מושחתת ביום בו חוזר אליה אסיר נמלט בן העיירה (רוברט רדפורד). אמנם הסרט לא זכה להצלחה רבה, אך נכללו בו תבניות מבשרות לסרטים המצליחים הבאים של פן: רוחב היריעה הקולנועי, עיסוק בבעיות הזמן והמקום, כגון גזענות ושחיתות, ובמיוחד העיסוק החוזר באלימות. הסרט זכור בזכות הסצנה שבה השריף ההגון (מרלון ברנדו באחד מתפקידיו המזוכיסטים ביותר מאז "חופי הכרך"), נבגד על ידי אנשי העיירה המושחתים ומוכה כמעט עד מוות.
הסרט התמקד בצעירים החיים בשולי החברה, כביכול על זמן שאול, בתקופה של שינויי תרבות ושל משבר חברתי. אף שהיצירה כללה שחזור נאמן לשנות ה-30, היא הייתה למעשה אמירה נוקבת על זמנה. הסרט הפך למודל מכונן של "תרבות הנגד" של שנות ה-60, ונחשב כאבן דרך בקולנוע האמריקני. בעשור השנים לאחר "בוני וקלייד" נעשו בהשראתו סרטים נוספים בעלי מודעות פוליטית ואמירה חברתית נוקבת.
שחקני הסרט היו צעירים מוכשרים בשיא כוחם. לצד ביטי ודאנאווי בתפקידים הראשיים, לוהק גם ג'ין הקמן, שנמנה עם בעלי הפנים המוכרות ביותר בקולנוע האמריקני של שנות ה-70. הסרט זכה להצלחה גדולה בארצות הברית ובעולם כולו, אף שכלל את אחת הסצנות האלימות ביותר שצולמו עד אז בקולנוע המסחרי והממוסד: סצנת הסיום שבה נקלעים בוני וקלייד למארב ה-FBI ומרוססים למוות בירי מתת מקלעים. הירי ארך כחצי דקה וצולם בהילוך איטי. בסרט זה הגיע סגנונו של פן לשיאו ולמיצוי כוחו האמנותי, הן מבחינה תוכנית (העיסוק באנשי שוליים, שהודרו מהחברה וחשים ניכור כלפיה; העיסוק במין, במוות ובאלימות) והן מבחינה צורנית – צילום בלתי שגרתי, פנורמי, לעיתים לא ממוקד, באווירה נוסטלגית משהו; התמקדות בשחקנים תוך הפגנה מלאה של יכולות המשחק שלהם. כל אלה מצאו מעריצים ומחקים בקרב במאי הדור הצעיר יותר, כגון "שביל הזעם" של טרנס מאליק (1973) הדומה בנושאיו ובמבנהו ל"בוני וקלייד" (מאליק אף העניק קרדיט לפן בכותרות הסרט). הדעה הרווחת היא כי מרטין שין וסיסי ספייסק, גיבורי סרט זה, לא הצליחו לשחזר את האפיל הקולנועי של דאנאווי וביטי.
כרזת הסרט "המסעדה של אליס" מאת ארתור פן - דוגמה לקולנוע הפוליטי והפיוטי, המודע לעצמו ולזמנו והמייצג נאמנה את תרבות הנגד של שנות ה-60, שעמדה בבסיס יצירתו של פן בין "בוני וקלייד" ל"ג'ורג'יה"
ב-1973 ביים פן חלק מהסרט האולימפי " Visions of Eight" לצד הבמאים ג'ון שלזינגר ומילוש פורמן. סרטו הבא היה המותחן הפרנואידי "חקירה באפלה" (1975), שבו גילם ג'ין הקמןחוקר פרטי שהסתבך במזימה אפלה. ב-1976 ביים את "דו-קרב במיזורי" שבו שב לשתף פעולה עם מרלון ברנדו באחד מתפקידיו האקסצנטריים ביותר, לצדו של ג'ק ניקולסון המגלם בדרכו המיוחדת גנב סוסים הנתקל בצייד ראשים אירי (ברנדו). הסרט לא הובן בזמנו וזכה לביקורות מעורבות. נטען כי פן הבמאי נכנע לגחמותיו של ברנדו השחקן. היום יש מבקרים הרואים בסרט יצירת מופת.
הסרט החותם שלב זה ביצירתו של פן הוא "ג'ורג'יה" (1981), מבט טראומטי החוזר אל שנות ה-60 ואל נושאי מלחמת וייטנאם, זכויות האדם, הפוליטיקה של המגדר, ותרבות הסמים דרך סיפורו של נער יוגוסלבי הגדל באינדיאנה. הסרט נראה מעט נוסטלגי, וכך נוצרה תחושה כי אינו מחובר לזמנו, וכי הבמאי נותר מאחור, ואינו מחזיק עוד את אצבעו על דופק הנושאים המעסיקים את הקהל האמריקני.
קריירה מאוחרת
גם לאחר "ג'ורג'יה" המשיך פן לביים. "מטרה" (1985), שבו כיכבו מאט דילון וג'ין הקמן, היה סרט מתח יעיל אך שגרתי למדי. זהו סיפורו של מרגל שאשתו נחטפה, והוא נעזר בבנו כדי למצוא אותה. ב-1987 יצר את "Dead of Winter" - סרט אימה שניסה לחקות את סגנונו של אלפרד היצ'קוק. ב-1989 יצר סאטירה הומוריסטית ושמה "Penn & Teller get killed", על קוסם המכריז בשידור חי בטלוויזיה כי הוא רוצה שהצופים ינסו להורגו, והיו בה כמה פיתולי עלילה בלתי צפויים.
לאחר סרט זה חדל פן מלביים לקולנוע. הוא התרכז בעשייה טלוויזיונית, יצר דרמות וסרטי טלוויזיה ונמנה עם מפיקי הסדרה "חוק וסדר".
