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Arvid Carlsson est le fils de l'historien Gottfrid Carlsson. Il fait ses études de médecine à l'université de Lund à partir de 1941, qu'il doit interrompre pour son service militaire bien que son pays soit neutre durant la Seconde Guerre mondiale. À la fin des hostilités, il participe à l'examen des prisonniers des camps de concentration amenés en Suède par Folke Bernadotte. En 1951, il reçoit son diplôme de médecine et sa thèse de science. Il est recruté à l'université de Göteborg en 1959 où il travaille sur les neurotransmetteurs.
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Les travaux d'Arvid Carlsson ont essentiellement porté sur la description du rôle de la dopamine comme neurotransmetteur et non comme simple précurseur de la norépinéphrine.
(en) Autobiographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)