Après des études de littérature, il travaille au théâtre comme acteur et metteur en scène. Apprentissage du travail d'acteur (auprès notamment de Christian Rist, Attilio Magiuli et Jean-Pierre Sarrazac). Joue quelques rôles au théâtre. Fonde, avec Jean-Pierre Rehm, la compagnie « Théâtre en demeure ». Met en scène, avec Jean-Pierre Rehm, Oxtiern, ou les malheurs du libertinage d'après Sade au Petit Théâtre Mouffetard ; puis Le mariage secret d'après la correspondance de Nietzsche à Peter Gast au Carré Silvia Montfort.

Il fait des études de cinéma à La Fémis, où il réalise ses premiers films.

Invite Gilles Deleuze à venir prononcer une conférence devant les étudiants de La fémis autour de questions émanant de la lecture de « L'image temps » et « L'image mouvement », les deux livres du philosophe consacrés au cinéma. Tourne à cette occasion : Gilles Deleuze : Qu'est-ce que l'acte de création ?, en co-réalisation avec Arnaud Dauphin (1987, 49'). D'autres courts métrages suivront, oscillant entre fiction et documentaire La mémoire d'un ange (1989, 22'), Le jardin du bonheur (1991, 26'). Après La Fémis, il tourne encore des courts métrages, dont Avant après (1993, 20') et Les choses rouges (1994, 20'). Il a enseigné pendant quelques années la pratique cinématographique à l'École Nationale d'Arts de Cergy Pontoise.

Arnaud des Pallières réalise son premier long métrage pour le cinéma en 1996, ce sera Drancy Avenir. En 1996, à Paris, une étudiante en histoire enquête sur les traces de la participation française à l'extermination des Juifs d'Europe. Le cinéaste dira qu'il a réalisé ce film parce qu'il appartient "à la génération qui verra mourir le dernier survivant de la Solution Finale, et qu'il faut apprendre dès aujourd'hui à transmettre la vérité de l'extermination sans l'appui de cette réalité qu'est la parole vivante des survivants".

Suivront deux moyens métrages pour la télévision Is Dead (Portrait incomplet de Gertrude Stein), pour la collection "Un siècle d'écrivains" dirigée par Bernard Rapp, et Disneyland, mon vieux pays natal pour la collection "Voyages, voyages" d'Arte.

Son second long métrage pour le cinéma sera, en 2003 Adieu, avec Michaël Lonsdale, Aurore Clément, Laurent Lucas et Olivier Gourmet. Menacé en Algérie, Ismahel émigre en France, le temps que ceux qu'il fuit l'oublient. Il raconte son parcours clandestin sous la forme d'un conte biblique, le mythe de Jonas et la baleine.

Ailleurs en France, un vieil agriculteur vient de perdre son plus jeune fils. Ses trois autres enfants l'aident à traverser l'épreuve des funérailles, tandis que le vieux père, lui, sombre progressivement dans une sorte d'indifférence mélancolique, perdant peu à peu jusqu'à la force de vivre. Ces deux histoires se déroulent en parallèle.

Son troisième long métrage Parc, d'après un roman de John Cheever, avec Sergi Lopez et Jean-Marc Barr, est présenté à la Mostra de Venise 2008 et sortira début 2009. Le personnage principal du film, Georges Clou, vit dans une de ces nouvelles banlieues résidentielles. Marié, il part au bureau le matin, va à la messe le dimanche, aime sa femme, son fils, son chien. Paul Marteau est jeune, beau, riche, intelligent. Mais déchiré entre la sévérité du jugement qu'il porte sur le monde et son désir malgré tout d'y appartenir. Un jour, par hasard, les chemins des deux hommes se croisent. Clou y voit l'occasion d'une nouvelle et sincère amitié. Marteau, lui, y trouve une nouvelle raison de vivre : crucifier l'idéal de bonheur de l'homme occidental, et son incarnation en la personne de Georges Clou. Un clou est une victime rêvée pour un marteau.

Arnaud des Pallières est également scénariste et monteur des films qu'il réalise.