Татьяна Арнтгольц родилась 18 марта 1982 года в Калининграде в семье театральных актеров. Род Арнтгольц имеет немецкое происхождение. У Татьяны есть сестра-близнец Ольга, которая тоже является киноактрисой, а ее старший брат Антон – актер калининградского театра. Детство девочки прошло в компании сестры. Несмотря на разницу темпераментов, они дружили и всячески поддерживали друг друга.
Таня и Оля выросли за кулисами. Их любимым местом была костюмерная, где они вовсю веселились, пока родители репетировали или выступали. В девять лет сестры дебютировали в музыкальном спектакле «Золотой цыпленок». Однако повторить судьбу родителей девочки не мечтали. Они увлекались борьбой и художественной гимнастикой, думали о карьере в журналистике. Но все-таки победила генетика, и в старшей школе они поступили в театральный класс.
В 1999 году девочки отправились покорять столицу. С первой попытки их зачислили в театральный вуз. Во время учебы Татьяна уже появилась на экране в телепроекте «NEXT». А широкая известность пришла к молодой актрисе после участия в «Простых истинах», популярном в те годы сериале среди подрастающего поколения. Там Арнтгольц досталась одна из главных ролей. Карьера девушки набирала обороты, за весь творческий путь она исполнила множество ролей, зачастую пересекаясь на съемочной площадке со своей сестрой, также ставшей успешной актрисой.
Первым супругом Татьяны стал коллега Иван Жидков, в 2009 году у звездной пары родилась дочь Маша, а через пять лет супруги объявили о разрыве. В декабре 2018 года Татьяна сообщила о своем романе с Марком Богатыревым, с которым вместе снималась в картине «Ёлки последние».