Las primeras andaduras de Tony Arbolino sobre las dos ruedas serían al manillar de una minimoto a la edad de 4 años. En 2009 participaría en el campeonato italiano logrando buenos resultados. En 2014 se uniría al SIC58 Racing Team con la ayuda de Paolo Simoncelli y en 2015 y 2016 participaría en el FIM CEV Repsol. 2017 sería su primera andadura en el Campeonato del Mundo y lo haría con el equipo SIC58 Squadra Corse, dirigido por el padre del añorado Marco Simoncelli. No sería una buena temporada para el italiano, con un 14º puesto como mejor resultado. En 2018 probaría suerte en el Marinelli Rivacold Snipers y los resultados no mejorarían en exceso, siendo su sexta plaza en Motegi su mejor resultado. En 2019 la situación mejoraría notablemente para el italiano, que ganaría 2 carreras y firmaría 5 podios. Así, terminaría 4º en la general y se posicionaría como un verdadero aspirante al título para 2020. Sin embargo, a pesar de una victoria en Valencia y de acabar 5 veces entre los cuatro primeros, su ausencia en el GP de Aragón por contacto con un positivo de COVID-19, lastraría sus posibilidades pese a luchar hasta el final. Arbolino cerraría su etapa en la clase ligera como subcampeón. En 2021 daría el salto a Moto2™ con el Liqui Moly Intact GP, donde le costaría encontrar la regularidad. Cuatro resultados en el Top 10, incluyendo un 4º en Le Mans, le valdrían para conseguir un asiento en el Marc VDS para 2022. A lo largo de la campaña conseguiría situarse hasta en 3 ocasiones consecutivas entre los 8 primeros, y firmar 3 victorias, la primera de ellas en Austin. Cuarto en la general, sería un candidato a tener muy en cuenta en 2023, y no defraudaría. Con ocho podios, tres de ellos victorias, el piloto italiano lucharía gran parte de la temporada por retener sus opciones al título, pero finalmente tendría que conformarse con el segundo puesto de la general, por detrás del intocable Pedro Acosta. En 2024, el subcampeón del mundo sería más que nunca un rival a tener en cuenta, pero la temporada no terminaría de ir como esperaba. El italiano conseguiría su primer podio de 2024 en el GP de Aragón, finalizando el año en 10ª posición en la clasificación mientras se prepararía para un cambio en 2025 con un movimiento a Pramac Yamaha Moto2™. La estrella italiana lograría un solo podio a lo largo del año y terminaría 19º en el Campeonato del Mundo, mientras anunciaría un nuevo camino para la temporada siguiente. De cara a 2026, Arbolino se unirá a Fantic Racing junto a Barry Baltus.