До революции территория нынешнего Арсеньевского района входила в состав Белёвского и Одоевского уездов. Многие его сёла и деревни упоминаются еще в Писцовых книгах 1630 – 1632 годов. Своё наименование район получил от названия железнодорожной станции. А та, в свою очередь, была названа так в 1897 году потому, что только при таком условии здешний помещик А.А. Арсеньев дал своё согласие на прокладку через его земли железнодорожной линии. Род Арсеньевых – один из знатнейших дворянских родов России, давший миру немало выдающихся ученых, офицеров.

Как административно-территориальная единица Арсеньевский район был создан постановлением Тульского губисполкома 28 июня 1924 года в составе Белевского уезда. В январе 1926 года Белёвский уезд был ликвидирован в связи с переходом к трехзвенной системе управления: сельсовет, райисполком, губисполком.

3 июня 1929 года постановлением ВЦИК была создана Московская область, в состав которой входил Тульский округ, состоявший из 27 районов, в том числе и Арсеньевского. В свою очередь Арсеньевский район был к тому времени укрупнен за счет располагавшихся поблизости Комарёвского и Лучанского районов. 26 сентября 1937 года, когда Московская область была разделена на Московскую, Тульскую и Рязанскую области, Арсеньевский район вошел в состав Тульской области.

Невосполнимый урон нанесла Арсеньевскому району война. Хотя период оккупации был недолгим – с 25 октября по 27 декабря 1941 года, за это время фашисты дотла сожгли 27 сёл, деревень и посёлков, уничтожили 1600 строений, в том числе 10 школ, больницу, десятки объектов социально-культурного назначения. 3729 жителей Арсеньевского района погибли и пропали без вести в боях Великой Отечественной войны. Домой вернулся лишь каждый пятый из фронтовиков. Семь человек, родившихся или работавших в районе, заслужили в годы войны звание Героев Советского Союза, один – Героя Социалистического Труда.

В послевоенный период истории Арсеньевского района, как административно-территориальной единицы, был небольшой перерыв. 1 февраля 1963 года, когда указом Президиума Верховного Совета РСФСР было произведено укрупнение районов области и их число сократилось до 10 сельских и промышленных, Арсеньевского среди них не оказалось. Но уже 3 марта 1964 года таким же Указом в составе Тульской области был образован Арсеньевский сельский район, 12 января 1965 года преобразованный в Арсеньевский район. 23 августа 1966 года Арсеньево было отнесено к категории рабочих посёлков городского типа.

Арсеньево ведет свою историю с 1897 года, когда было дано высочайшее разрешение на прокладку железнодорожной линии и начато строительство станции. День поселка, по решению районного представительного органа, отмечается в последнюю субботу июня.