Нарадзіўся 26 красавіка 1933 года ў Германіі ў яўрэйскай сям’і. Ва ўзросце шасці гадоў праз праграму «Кіндэртранспарт» быў эвакуіраваны ў Вялікабрытанію. Праз некалькі тыдняў з нацысцкай Германіі збеглі і яго бацькі, а ў 1940 годзе сям’я пасялілася ў ЗША. Скончыў Нью-Ёркскі Сіці-каледж (1954), Калумбійскі ўніверсітэт, дзе атрымаў ступень магістра (1958) і ступень доктара (1962). З 1963 года — навуковы супрацоўнік кампаніі «Bell Telephone Laboratories». У 1976—1979 ўзначальвае даследаванні ў галіне фізікі радыёхваль, якія праводзяцца кампаніяй. З 1979 года — дырэктар-распарадчык ўсёй праграмы даследаванняў кампаніі «Bell Telephone Laboratories».
Навуковыя дасягненні
Выкарыстаўшы мазер ў якасці ўзмацняльніка ў мікрахвалевым прыёмніку, Арно Пензіяс вырашыў задачу павелічэння дакладнасці налады антэны, змясціўшы ўнутры антэны другі прыёмнік, нацэлены на зададзеную крыніцу выпраменьвання. З дапамогай гэтай антэны ён выявіў у міжзоркавай прасторы малекулу гідраксіла. З 1963 года, аб’яднаўшыся з фізікам Робертам Вільсанам, пачаў прыстасоўваць рупарную антэну для выкарыстання ў радыёастраноміі. Дакладная налада і звышвысокая адчувальнасць яе ўзмацняльніка дазволілі навукоўцам вымераць інтэнсіўнасць пазаземных радыёкрыніц. Дапоўніўшы ўстаноўку фільтрам ад радыёперашкод, навукоўцы атрымалі магчымасць вымяраць інтэнсіўнасць фонавага выпраменьвання любога ўчастка неба паблізу вывучаемай крыніцы. У 1964 навукоўцы, выкарыстаўшы сваю сістэму для вымярэння радыёсігналаў Касіяпеі А, выявілі рэліктавае выпраменьванне, што паставіла кропку ў спрэчцы паміж прыхільнікамі гарачым і халодным Сусветам у рамках тэорыі Вялікага выбуху на карысць першы. Пабудаваўшы прыёмнік, здольны дэтэктаваць выпраменьванне з даўжынёй хвалі парадку міліметра і далучыўшы яго да 36-футавага радыётэлескопу, навукоўцы выявілі аксід вугляроду і яшчэ шэсць міжзоркавых малекул. За адкрыццё рэліктавага выпраменьвання Пензіяс (сумесна з Вільсанам) атрымаў Нобелеўскую прэмію па фізіцы (чвэрць прэміі за 1978, палову прэміі за гэты год атрымаў Пётр Капіца, а астатнюю чвэрць Вільсан).