Zijn eerste grote opdracht betrof de Sint Sebastiaansdoelen in Den Haag, die hij in 1636 ontwierp, samen met Bartholomeus van Bassen. In 1638 kwam hij in dienst in de functie van "fabriek" (stadsbouwmeester) bij de gemeente Leiden, bij wat nu 'openbare werken' zou heten. Dit lijkt een fraaie betrekking, maar de gemeente gaf hem weinig privileges. Hij was tenslotte iemand van buiten, uit Den Haag. Gebouwen van zijn hand in Leiden zijn het Commissarishuis aan de Vliet, de Marekerk, de Lakenhal, de Bibliotheca Thysiana, het Huis van Leyden en de Doelenpoort. De Lakenhal is geïnspireerd door (volgens sommigen gekopieerd van) het Huygenshuis in Den Haag, de woning van Constantijn Huygens. In zijn Leidse periode ontwierp Van 's-Gravesande ook het Raadhuis van Middelharnis.
Na diverse problemen verliet Van 's-Gravesande Leiden in 1655. Hij ging naar Rotterdam en vervolgens naar Middelburg, waar hij in 1662 overleed.
Guido Steenmeijer: Tot cieraet ende aensien deser stede : Arent van 's-Gravesande (ca. 1610-1662), architect en ingenieur. Primavera Pers, Leiden, 2005. 358 p. ISBN 978-90-5997-010-6