Gilbert Arenas se narodil 21. ledna 1982 v Tampě na Floridě. Vyrůstal v Kalifornii, kde navštěvoval Grant High School ve Van Nuys. Už na střední škole patřil mezi výrazné basketbalové talenty, což mu vyneslo místo na University of Arizona. V dresu „Wildcats“ strávil dvě sezóny, během kterých se rychle etabloval jako klíčový hráč.
V první sezóně 1999–2000 nastupoval Arenas do všech 34 zápasů a průměroval 15.4 bodu, 3.8 doskoku a 2.1 asistence na zápas. V té době ještě nebyl plně etablovanou hvězdou, ale jeho potenciál byl zřejmý. Jeho druhá univerzitní sezóna, 2000–2001, byla ještě úspěšnější. Arenas vedl Arizonu do finále turnaje NCAA, kde se utkali s Duke University. Přestože zápas prohráli, Arenasova role v týmu byla nezpochybnitelná, když si v sezóně připsal průměrně 16.2 bodu, 3.6 doskoku a 2.3 asistence. Po této sezóně se rozhodl přihlásit do draftu NBA, a to i přes to, že mu mnozí experti předpovídali, že bude vybrán až v pozdějších kolech.
Odhady expertů se potvrdily a Gilbert Arenas byl v draftu NBA v roce 2001 vybrán až ve druhém kole jako 31. celkový výběr týmem Golden State Warriors. Toto umístění ho motivovalo k tomu, aby dokázal, že byl podceněn. Už ve své nováčkovské sezóně 2001–2002 ukázal záblesky svého talentu, když odehrál 47 zápasů a zaznamenal průměrně 10.9 bodu, 2.8 doskoku a 3.7 asistence. V následující sezóně 2002–2003 se jeho výkonnost dramaticky zlepšila. Arenas nastoupil do 82 zápasů (všech jako startující hráč) a jeho průměry vyskočily na 18.3 bodu, 4.7 doskoku a 6.3 asistence. Za tento výrazný pokrok byl oceněn cenou pro nejlepšího zlepšeného hráče NBA (NBA Most Improved Player). Po dvou sezónách u Warriors se stal omezeným volným hráčem.
V roce 2003 podepsal Gilbert Arenas nabídkovou listinu s Washington Wizards na šestiletý kontrakt v hodnotě 60 milionů dolarů. Golden State se rozhodli nabídku nevyrovnat, a tak se Arenas připojil k Wizards. Právě zde prožil nejlepší období své kariéry a stal se jednou z největších hvězd ligy.
V sezóně 2004–2005 byl poprvé vybrán do All-Star Game a vedl Wizards do play-off, kde průměroval 25.5 bodu, 4.7 doskoku a 5.1 asistence. Jeho nejlepší sezóna přišla v ročníku 2005–2006, kdy Arenas zaznamenal kariérní maximum 29.3 bodu na zápas, k čemuž přidal 3.5 doskoku a 6.1 asistence. Za své výkony byl podruhé v řadě jmenován do All-Star týmu a také do All-NBA Third Team. Byl známý pro své střelecké schopnosti, zejména v klíčových momentech zápasů, a získal přezdívky jako „Agent Zero“ a „Hibachi“.
V prosinci 2006 předvedl jeden ze svých nejlepších individuálních výkonů, když proti Los Angeles Lakers zaznamenal 60 bodů, čímž stanovil klubový rekord Wizards. I v sezóně 2006–2007 pokračoval ve skvělých výkonech, průměroval 28.4 bodu, 4.6 doskoku a 6.0 asistence a potřetí v řadě si zahrál v All-Star Game a znovu byl zařazen do All-NBA Third Team. Bohužel, v dubnu 2007 utrpěl vážné zranění kolena (natržený mediální vaz), které ho vyřadilo ze zbytku sezóny a play-off. Toto zranění bylo začátkem série zdravotních problémů, které ovlivnily zbytek jeho kariéry.
Sezóna 2007–2008 byla pro Arenase poznamenána opakovanými problémy s kolenem. Odehrál pouze 13 zápasů a podstoupil mikrofrakturální operaci. Navzdory přetrvávajícím zdravotním obavám podepsal v létě 2008 s Wizards maximální šestiletou smlouvu v hodnotě 111 milionů dolarů. V sezóně 2008–2009 se na hřiště vrátil jen na dva zápasy kvůli dalším komplikacím s kolenem, což vyvolalo pochybnosti o jeho budoucí kariéře.
Po zraněními sužovaných sezónách se Gilbert Arenas vrátil na začátku ročníku 2009–2010. Nicméně, jeho návrat byl zastíněn událostmi mimo hřiště. V prosinci 2009 došlo v šatně Wizards k incidentu, kdy Arenas přinesl do šatny několik nenabitých střelných zbraní během hádky s týmovým kolegou Javarisem Crittentonem kvůli sázkařským dluhům. Tato událost vyvolala vlnu kontroverze a rychle se stala celonárodní zprávou.
V lednu 2010 byl Arenas na neurčito suspendován komisařem NBA Davidem Sternem. Krátce poté se přiznal k držení nelicencované zbraně. V březnu 2010 byl odsouzen k 30 dnům ve speciálním domě a dvěma letům podmíněného trestu. NBA následně v dubnu 2010 oznámila, že Arenas bude suspendován na zbývajících 50 zápasů sezóny 2009–2010. Tento incident značně poškodil jeho reputaci a výrazně ovlivnil jeho další působení v lize.
Po odpykání trestu se Gilbert Arenas vrátil k Wizards, ale jeho role v týmu už nebyla stejná. V prosinci 2010 byl vyměněn do Orlando Magic v rámci výměny několika hráčů. Za Magic odehrál 49 zápasů, ale jeho průměry poklesly na 8.0 bodu, 1.6 doskoku a 3.2 asistence. Jeho výkonnost už nikdy nedosáhla úrovně před zraněními a incidentem. V prosinci 2011 ho Magic propustili s využitím „amnesty clause“, což jim umožnilo odstranit jeho zbývající plat ze svých účetních knih.
V březnu 2012 Arenas podepsal smlouvu s Memphis Grizzlies, kde se snažil oživit svou kariéru. Odehrál zde 17 zápasů, průměrně si připsal 4.2 bodu a 1.1 asistence. Po sezóně 2011–2012 už v NBA nenalezl další angažmá.
V roce 2012 se Arenas rozhodl pro přesun do Asie a podepsal smlouvu s týmem Shanghai Sharks v čínské basketbalové lize (CBA). Zde strávil jednu sezónu, během níž průměroval 20.7 bodu, 7.3 doskoku a 3.0 asistence na zápas. Po této sezóně oficiálně ukončil svou profesionální basketbalovou kariéru.