Va nàixer en una modesta casa del barri conegut com a Ferrol Vello. Son pare, Ángel del Arenal, va ser un eminent militar que va patir moltes vegades presó per la seua ideologia liberal i pel fet d'estar en contra del règim monàrquic absolutista del rei Ferran VII. A conseqüència de les estades a la presó, va caure malalt i va morir l'any 1829, de manera que Concepció va restar òrfena de pare a 8 anys. L'any 1829 va marxar amb sa mare, de qui va rebre una fèrria formació religiosa, a Armaño (Cantàbria). Sa mare era d'origen noble, germana del comte de Vigo. El 1834 la mare es va traslladar a Madrid amb les seues dues filles: Concepció i Antonia (Luisa, la tercera, havia mort). A Madrid, Concepció va estudiar en un col·legi per a senyoretes. Set anys després va entrar, contra la voluntat de sa mare, com a oient en la Facultat de Dret de la Universitat Central (actual Universitat Complutense de Madrid), vestint robes masculines, ja que en aquella època l'educació universitària estava prohibida a les dones. Vestida també d'home, Concepción va participar en tertúlies polítiques i literàries, lluitant així contra el que estava establert en l'època per a la condició femenina.
A la universitat, Concepció Arenal va conèixer l'home que esdevindria el seu espòs. L'any 1848 es casa amb Fernando García Carrasco, home capaç de comprendre i d'acceptar l'actitud combativa de Concepció davant les injustícies de la seua època. Concepció tenia vint-i-vuit anys i el seu espòs quaranta. Fernando García Carrasco era advocat i periodista d'ideologia liberal. El matrimoni va tenir diversos fills, però tots menys un van morir precoçment. El supervivent, Fernando García Arenal, va ser enginyer de Camins, Canals i Ports.
Concepció i el seu espòs van col·laborar plegats en el periòdic liberal Iberia, fins que l'any 1857 Fernando va morir de tuberculosi i Concepció es va quedar sola i sense recursos. Forçada a vendre les seues possessions d'Armaño per les dificultats econòmiques que travessava, es va traslladar a casa del violinista Jesús de Monasterio a Potes (Cantàbria), on va fundar l'any 1859 el grup femení de les Conferències de Sant Vicent de Paül per ajudar els pobres. Dos anys després, el 1861, l'Academia de Ciencias Morales y Políticas la va premiar per la seua memòria La beneficència, la filantropia i la caritat. Era la primera vegada que l'Acadèmia premiava una dona.
L'any 1863 va esdevenir la primera dona a rebre el títol de visitadora de presons de dones, càrrec que va ocupar fins al 1865. Posteriorment va publicar llibres de poesia i assaig com Cartas a los delincuentes (1865), Oda a la esclavitud (1866) —que va ser premiada per la Societat Abolicionista de Madrid—, El reo, el pueblo y el verdugo o La ejecución de la pena de muerte (1867). L'any 1868, va ser nomenada inspectora de cases de correcció de dones, i tres anys després, el 1871, va començar a col·laborar amb la revista La Voz de la Caridad, de Madrid, en la qual va escriure durant catorze anys sobre les misèries del món que l'envoltava.
L'any 1872 va fundar la Constructora Benéfica, una societat que es dedicava a la construcció de cases barates per a obrers. Posteriorment també va col·laborar organitzant a Espanya la Creu Roja dels Socors, per als ferits de les guerres carlines, i es posà al front d'un hospital de campanya per als ferits de guerra a Miranda de Ebro. El 1877 va publicar Estudios penitenciarios.
Amb Concepció Arenal naix el feminisme a Espanya, perquè des de jove va lluitar per trencar els cànons establerts per a la dona, rebel·lant-se contra la tradicional marginació del sexe femení, i reivindicant la igualtat en totes les esferes socials per a la dona.
Va morir el 4 de febrer de 1893 a Vigo, i va ser soterrada al cementiri de Pereiro (Vigo). És el seu epitafi el lema que la va acompanyar durant tota la seua vida:
A la virtut, a una vida, a la ciència.