Существует несколько версий происхождения слова «Арбат». Согласно одной из них, слово восходит к восточному «рабад» — часть города за пределами крепостной стены. Сторонники этой теории считают, что это видоизменённое слово в столицу Московского государства принесли крымские татары. Изначально на территории современной площади находился лес, который пересекал ручей Черторый. В XII-XIII веках через этот район проходила Новгородская дорога. К XV веку лес был вырублен, а место назвали «Арбат» и застроили. На территории устроили земляной вал, который вскоре заменили кирпичной стеной, и построили Арбатские ворота. Их также называли Смоленскими — по проходящей рядом дороге. Так как площадь являлась перекрёстком, у ворот случались сражения с иноземными захватчиками. В 1439 году на этом месте было разгромлено войско казанского хана Улу-Мухаммеда, в 1611-м отбита атака польско-литовских интервентов, в через год на защиту ворот встал князь Дмитрий Пожарский. Также через эти ворота в Москву из военных походов возвращались Иван III и Иван Грозный. В середине XV века на площади была устроена деревянная церковь Бориса и Глеба, которую в середине XVI века заменили каменной.
В XVII веке рядом с воротами расположился рынок, однако он не пользовался у горожан популярностью. В 1621 году возвели ещё одну церковь святителя Тихона Амафунтского «у Арбатских ворот». В середине XVIII века около этой церкви построили усадьбу канцлера Гавриила Головкина и другие здания. В начале XIX века с обеих сторон площади начали сооружать Пречистенский и Никитский бульвары. В 1807 году по проекту архитектора Карла Росси на площади был возведён Арбатский театр. Он представлял собой высокое деревянное здание с колоннами вокруг и имел множество дверей на случай пожара. Декорации для спектаклей и интерьеры разработал художник Михаил Скотти. Современники писали, что здание напоминает здание Петербуржской биржи. Площадка под театром была выровнена и вымощена. Официальное открытие состоялось 13 апреля 1808 года пьесой «Баян — русский песнопевец всех времён» Сергея Глинки. Спектакли шли на русском и французском языках. …Одна из просторнейших площадей по бульвару Белого города: входите на оную, и огромность зданий с различными формами архитектуры поражает ваши взоры… На площади был установлен водоразборный бассейн, вода в него накачивалась из Москвы-реки без очистки, лишь в 1858-м стала подаваться ключевая вода.
В 1880-х годах на площади проложили линию конки, которую в начале XX века заменили трамвайной. В 1902-м купец Семён Тарарыкин выкупил здание с заурядным трактиром «Прага», построенное в 1890 году, и реконструировал его в одноимённой ресторан, получивший популярность у представителей московской элиты и долгое время считавшийся одним из первоклассных ресторанов города. Соседнее здание на площади занимала гостиница «Столица», в которой останавливался Иван Бунин. В 1909 году на Арбатской площади открылся один из первых кинотеатров Москвы архитектора Николая Благовещенского. По соседству с кинотеатром с 1866 по 1941 год действовала Московская консерватория Николая Рубинштейна. Чуть правее находился храм Святителя Тихона Амафунтского. Во время Октябрьской революции на Арбатской площади происходили пожары, так как её обстреливали со Страстной (ныне — Пушкинская), но самих боёв на ней не велось. В 1912-1913 годах кинотеатр перестроили по проекту архитектора Фёдора Шехтеля, он получил название «Художественный». В марте 1930-го в нём впервые в Москве продемонстрировали звуковое кино. В это же время в рамках генерального плана реконструкции Москвы разобрали храм Бориса и Глеба.
В 1932 году правее кинотеатра возвели здание Арбатского рынка. В течение последующих трёх лет здание рынка было укорочено, входная группа была отодвинута вглубь, и перед ней был построен вестибюль станции метро «Арбатская» (ныне — Филёвской линии). В военные годы здание рынка было полностью разрушено, а в 1941-м бомба попала в Московскую консерваторию. На её месте в 1944 году разбили сквер. После войны построили вторую станцию «Арбатская» с вестибюлем на площади. В 1962 году площадь полностью реконструировали, снесли почти все строения, а территорию заасфальтировали для возведения главного здания Министерства обороны. Строительство началось в 1970-х годах, а закончилось в 1983-м. Автором проекта является архитектор Михаил Посохин. Через десять лет от Арбатской отделили самостоятельную площадь Арбатские Ворота. В 2013 году в процессе благоустройства с площади убрали самострой и киоски. Через год приступили к капитальному ремонту кинотеатра «Художественный», который планируется закончить к 2020-му. В 2016-м площадь реконструировали в рамках программы «Моя улица», облагородили сквер у кинотеатра. Союз журналистов Москвы выдвинул идею установки памятника погибшим коллегам в сквере около Центрального дома журналистов со стороны Арбатской площади.