Comenzó a pintar a muy corta edad bajo la tutela de su padre y una tía suya, posteriormente recibió clases privadas de una profesora francesa, Constanza de Sauvage.. Entre 1879 y 1882 transcurre un período de aprendizaje durante el cual Arturo Michelena, asociado a su padre, abren una academia privada de pintura en Valencia para satisfacer encargos de retratos, pinturas murales, copias de cuadros antiguos, retratos infantiles y abundantísima producción de dibujo. Se presenta a la Gran Exposición del Centenario del Natalicio de El Libertador Simón Bolívar,  que se celebra en Caracas en 1883, y a la que envía dos obras Alegoría de la república regenerada y La entrega de la bandera invencible de Numancia al batallón sin nombre. Esta última pieza le hace acreedor de una medalla de plata. En 1885 el gobierno le otorga una pensión para realizar sus estudios en Europa. Viajó a París junto con Martín Tovar y Tovar. Se inscribe en la Academia Julián y recibe clases del artista francés Jean-Paul Laurens. Animado por su maestro, Laurens, en 1887 concurrió al Salón de París, Michelena presentó un lienzo titulado L’Enfant Malade (El niño enfermo), con el cual fue premiado con la medalla de oro, el mayor honor que había dado el Salón a un artista extranjero. En 1889 pinta Carlota Corday camino al cadalso. Con esta obra obtiene una medalla de oro en la Exposición Universal de París (1889). Ese mismo año, regresó a Venezuela. Después de una temporada de éxito en Caracas, celebra matrimonio con Lastenia Tello Mendoza y retorna a París para iniciar el tercer período de su carrera.Al haber enfermado de tuberculosis retorna a Venezuela en 1892 por consejo de sus médicos; el éxito le espera en Caracas donde se convierte en el retratista de moda y en el pintor oficial de Joaquín Crespo. Entre sus pinturas más notables, está la que es considerada su obra maestra: «Miranda en la Carraca», de 1896, en ella se representa a Francisco de Miranda en su celda del Arsenal de la Carraca, en San Fernando, Cádiz, donde murió. Ese año inicia la decoración del Palacio de Miraflores, residencia de la familia Crespo.

Arturo Michelena falleció el 29 de julio de 1898 en Caracas, Venezuela.