Nació en una modesta casa del barrio conocido como Ferrol Vello. Su padre, Ángel del Arenal, fue un eminente militar que sufrió muchas veces prisión por su ideología liberal y por el hecho de estar en contra del régimen monárquico absolutista del rey Fernando VII. A consecuencia de las estancias en la prisión, cayó enfermo y murió en 1829, de forma que Concepción restó huérfana de padre a 8 años. El año 1829 marchó con su madre, de quién recibió una férrea formación religiosa, a Armaño (Cantabria). Su madre era de origen noble, hermana del conde de Vigo. El 1834 la madre se trasladó a Madrid con sus dos hijas: Concepción y Antonia (Luisa, la tercera, había muerto). En Madrid, Concepción estudió en un colegio para señoritas. Siete años después entró, contra la voluntad de su madre, como oyente en la Facultad de Derecho de la Universidad Central (actual Universidad Complutense de Madrid), vistiendo ropas masculinas, puesto que en aquella época la educación universitaria estaba prohibida a las mujeres. Vestida también de hombre, Concepción participó en tertulias políticas y literarias, luchando así contra el que estaba establecido en la época para la condición femenina.
En la universidad, Concepción Arenal conoció el hombre que acontecería su esposo. El año 1848 se casa con Fernando García Carrasco, hombre capaz de comprender y de aceptar la actitud combativa de Concepción ante las injusticias de su época. Concepción tenía veintiocho años y su esposo cuarenta. Fernando García Carrasco era abogado y periodista de ideología liberal. El matrimonio tuvo varios hijos, pero todos menos uno murieron precozmente. El superviviente, Fernando García Arenal, fue ingeniero de Caminos, Canals y Puertos.
Concepción y su esposo colaboraron plegados en el periódico liberal Iberia, hasta que en 1857 Fernando murió de tuberculosis y Concepción se quedó suela y sin recursos. Forzada a vender sus posesiones de Armaño por las dificultades económicas que atravesaba, se trasladó a casa del violinista Jesús de Monasterio a Patas (Cantabria), donde fundó en 1859 el grupo femenino de las Conferencias de San Vicente de Paül para ayudar los pobres. Dos años después, el 1861, el Academia de Ciencias Morales y Políticas la premió por su memoria La beneficencia, la filantropía y la caridad. Era la primera vez que la Academia premiaba una mujer.
El año 1863 aconteció la primera mujer a recibir el título de visitadora de prisiones de mujeres, cargo que ocupó hasta el 1865. Posteriormente publicó libros de poesía y ensayo como Cartas a los delincuentes (1865), Oda en la esclavitud (1866) —que fue premiada por la Sociedad Abolicionista de Madrid—, El reo, el pueblo y el verdugo o La ejecución de la pena de muerte (1867). El año 1868, fue nombrada inspectora de casas de corrección de mujeres, y tres años después, el 1871, empezó a colaborar con la revista La Voz de Caridad, de Madrid, en la cual escribió durante catorce años sobre las miserias del mundo que lo rodeaba.
El año 1872 fundó la Constructora Benéfica, una sociedad que se dedicaba a la construcción de casas baratas para obreros. Posteriormente también colaboró organizando en España la Cruz Roja de los Socorros, para los heridos de las guerras carlistas, y se puso en el frente de un hospital de campaña para los heridos de guerra en Miranda de Ebro. El 1877 publicó Estudios penitenciarios.
Con Concepció Arenal nace el feminismo en España, porque desde joven luchó para romper los cánones establecidos para la mujer, rebelándose contra la tradicional marginación del sexo femenino, y reivindicando la igualdad en todas las esferas sociales para la mujer.
Murió el 4 de febrero de 1893 a Vigo, y fue soterrada al cementerio de Pereiro (Vigo). Es su epitafio el lema que la acompañó durante toda su vida:
A la virtud, en una vida, a la ciencia.