Er wurde am 2. März 1917 als Desiderio Alberto Arnaz y de Acha III in Santiago, Kuba, als Sohn eines wohlhabenden Landbesitzers geboren, der auch Bürgermeister von Santiago war. Die Batista-Revolution von 1933 brachte seinen Vater ins Gefängnis und entzog Desis Familie Reichtum und Macht. Nach der Freilassung seines Vaters floh die Familie nach Miami, wo Desi verschiedenen Gelegenheitsjobs nachging, um seine Familie zu ernähren.
Nachdem sie Florida erreicht hatte, nahm Desi die Zulassung an der St. Patrick Catholic High School auf. Um sein Englisch zu verbessern, besuchte er 1934 die Saint Leo Prep in der Nähe von Tampa. Zur gleichen Zeit spielte er Gitarre im Roney Plaza Hotel.
1936 bekam er seinen ersten professionellen Musikerjob als Gitarrist für das Siboney Septett. Später nahm er eine Lohnkürzung hin, um für Xavier Cugat in New York zu arbeiten. Sechs Monate später kehrte er nach Miami zurück, um die Leitung zu übernehmen
eine eigene lateinamerikanische Combo mit Hilfe von Cugat. Dort stellte er dem amerikanischen Publikum die Conga-Linie vor. Es wurde bald zu einem nationalen Phänomen und führte zu einer Rückkehr nach New York, wo ihm eine Rolle in dem erfolgreichen Broadway-Musical „Too Many Girls“ von 1939 angeboten wurde.
1940 unterschrieb er bei RKO und reiste nach Hollywood, um in der Filmversion mitzuspielen. Dort lernte er seine Co-Star und zukünftige Frau Lucille Ball kennen. Sie heirateten später im Jahr 1940. Desi drehte drei weitere Filme mit RKO und einen, den klassischen Kriegsfilm „Bataan“, mit MGM, bevor er während des Zweiten Weltkriegs in die Armee eingezogen wurde. Während seiner zwei Jahre im Dienst war er dafür verantwortlich, die Truppen der Staaten zu unterhalten.
Nach seiner Entlassung kehrte er zur Musik zurück und gründete ein neues Orchester. Es war ein sofortiger Erfolg und er nahm in den späten vierziger Jahren mehrere Hits auf. Seine Single „Babalu“ gilt als sein Markenzeichen.
Von 1946 bis 1947 fungierte er auch als Orchesterleiter in Bob Hopes Radiosendung. Das Orchester stellte 1949 die Aufnahmen ein, woraufhin Desi mit seiner Frau Lucy zusammenarbeitete, um ihre gemeinsame Produktionsfirma Desilu und ihr erstes großes Projekt, die Fernsehsitcom „I Love Lucy“, die sechs Jahre lang auf CBS lief und zur erfolgreichsten Fernsehsendung der Geschichte wurde.
Desis Orchester blieb im Rahmen des Fernsehprogramms zusammen. Als Produzent der „I Love Lucy“-Serie entwickelte Desi viele Techniken, die heute im Serienfernsehen zum Standardverfahren gehören, darunter die Verwendung mehrerer Kameras, um die Aufführung zu filmen,
vorhergehende Auftritte mit einem Aufwärmmann, Dreharbeiten vor Live-Publikum und die Wiederholung von Filmen alter Episoden. Zu dieser Zeit war es üblich, live aus einem Studio in New York zu senden. Desis Innovationen ermöglichten es, „I Love Lucy“ in Desilu in Hollywood zu drehen und von New York aus per Film zu übertragen. Die Existenz einer Filmkopie in Sendequalität für jede Folge ebnete auch den Weg für die Syndizierung der Serie, die noch heute weit verbreitet ist.
Auch nach dem Ende von „I Love Lucy“ blieb Desilu Productions ein erfolgreiches und einflussreiches Unternehmen. Desilu produzierte „December Bride“, „Make Room for Daddy“, „Our Miss Brooks“, „The Untouchables“ und andere Shows. Desis Ehe mit Lucille Ball zerbrach 1960.
Er zog sich aus der aktiven Teilnahme am Showbusiness zurück und verkaufte seine Hälfte von Desilu für 3 Millionen Dollar an Lucy, was sie zur mächtigsten Frau im Showbusiness machte. Er zog schließlich nach Del
Mar, Kalifornien, mit seiner zweiten Frau Edith, wo er den Rest seines Lebens verbrachte und gelegentlich im Fernsehen oder Film auftauchte.
Früher rauchte er vier bis fünf kubanische Zigarren am Tag. Diese Angewohnheit von Desi führte dazu, dass er an Lungenkrebs erkrankte, dem er am 2. Dezember 1986 in Del Mar erlag.
Desi Arnaz hat zwei Sterne auf dem Hollywood Walk of Fame: einen am 6327 Hollywood Boulevard für Beiträge zu Kinofilmen und einen am 6220 Hollywood Boulevard für das Fernsehen.
