Соавтор теоремы Колмогорова — Арнольда — Мозера о стабильности интегрируемых гамильтоновых систем. Развивал математику (теория динамических систем, теория катастроф, топологию, алгебраическую геометрию), классическую механику и теорию сингулярностей.
В. И. Арнольд опубликовал более 400 статей и большое количество учебников и монографий. Более тридцати его книг были многократно переизданы и переведены на многие языки мира[19].
В. И. Арнольд известен своим ясным стилем изложения, искусно комбинирующим математическую строгость и физическую интуицию, а также простым и доходчивым стилем преподавания[21]. Его публикации представляют собой всегда свежий и обычно геометрический подход к традиционным разделам математики, таким, как например, решение обыкновенных дифференциальных уравнений. В. И. Арнольд оказал большое влияние на развитие новых областей математики, опубликовав немало учебников. Однако книги Арнольда критикуются за наличие теорий, включающих утверждения, основывающиеся только на интуитивном понимании, без предоставления данных, необходимых для их доказательства[22].
В. И. Арнольд являлся известным критиком существовавших в середине XX века попыток создать замкнутое изложение математики в строгой аксиоматической форме с высоким уровнем абстракции. Он был глубоко убеждён, что этот подход — известный в основном благодаря активности французской школы Николя Бурбаки — оказал негативное влияние на преподавание математики сначала во Франции, а затем и в других странах[23].
Отец — математик и методист, доктор педагогических наук, член-корреспондент АПН РСФСР, профессор МГУ Игорь Владимирович Арнольд (1900—1948).
Дед по отцовской линии — экономист и статистик Владимир Фёдорович Арнольд (1872—1918), народник, автор работ «Опыт изучения крестьянских расходов по данным 50 описаний крестьянского хозяйства Херсонского уезда» (1898), «Общие черты агрономической техники и сельскохозяйственной экономики крестьянских хозяйств Херсонского уезда» (1902) и «Политико-экономические этюды» (1904).
В. И. Арнольд по отцовской линии — внучатый племянник писателя Б. С. Житкова (который был братом его бабушки, Веры Степановны Арнольд, урождённой Житковой).
Мать — искусствовед, сотрудница Пушкинского музея Нина Александровна Арнольд (урождённая Исакович, 1909—1986).
Дед по материнской линии — Александр Соломонович Исакович (1879—1938, расстрелян) — адвокат, научный сотрудник и заведующий учебной частью Одесского НИИ холодильной промышленности[29]. Его сестра Лидия Соломоновна Исакович (1884—1962) была замужем за физиком Л. И. Мандельштамом. Прадед — почётный гражданин Соломон Леонтьевич Исакович (председатель правления Фёдоровского общества вспомоществования служащим в типографиях) вместе с женой Рашелью Моисеевной Исакович (урождённой Бейленсон, 1853—1939) с 1893 года владел доходным домом на улице Гаванной, № 10/12 (угол Дерибасовской, № 22); после смерти С. Л. Исаковича в 1908 году этот дом перешёл в собственность деда В. И. Арнольда — А. С. Исаковича и его брата.
В. И. Арнольд по материнской линии — племянник физиков Михаила Александровича Исаковича (1911—1982), заведующего теоретическим отделом Акустического института АН СССР, и Натальи Александровны Райской (урождённой Исакович, 1913—1988), редактора отдела физики Всесоюзной государственной библиотеки научной литературы; внучатый племянник физика Л. И. Мандельштама (брат бабушки В. И. Арнольда — Элеоноры (Леи) Исааковны Исакович, урождённой Мандельштам, 1886—1978)[30][31][32].
Брат — Дмитрий Игоревич Арнольд (1939—2019), физик.
Племянник — Виталий Дмитриевич Арнольд (1968—2017), математик, организатор математических олимпиад для школьников.
Был дважды женат. Первая жена (с 1957 года) — Надежда Николаевна Брушлинская, математик, кандидат физико-математических наук. Вторая жена (с 1976 года) — Элеонора Александровна Арнольд (урождённая Воронина)[34].
1999 — орден «За заслуги перед Отечеством» IV степени — за большой вклад в развитие отечественной науки, подготовку высококвалифицированных кадров и в связи с 275-летием Российской академии наук[36]
Аносов Д. В., Болибрух А. А., Васильев В. А., Вершик А. М., Гончар А. А., Громов М. Л., Гусейн-Заде С. М., Закалюкин В. М., Ильяшенко Ю. С., Козлов В. В., Концевич М. Л., Манин Ю. И., Нейштадт А. И., Новиков С. П., Осипов Ю. С., Севрюк М. Б., Синай Я. Г., Тюрин А. Н., Фаддеев Л. Д., Хесин Б. А., Хованский А. Г.Владимир Игоревич Арнольд (к шестидесятилетию со дня рождения) // Успехи математических наук, том 52, выпуск 5, 1997.
Садовничий В. А.Владимир Игоревич Арнольд (1937—2010) // О людях Московского университета. — 3-е изд., дополненное. — М.: Издательство Московского университета, 2019. — С. 348—355. — 356 с. — 3000 экз. — ISBN 978-5-19-011397-6.