Родился 25 декабря 1918 года в селе Белогорье ныне Подгоренского района Воронежской области.
Командир отделения связи 432-го гаубичного артиллерийского полка 18-й гаубичной артиллерийской бригады 6-й артиллерийской дивизии прорыва 47-й армии 1-го Белорусского фронта, старший сержант.
В боях Великой Отечественной войны с июня 1941 года. Воевал на Западном, Брянском, Калининском, 1-м Белорусском фронтах. Участвовал в Смоленском оборонительном сражении, в Московской битве на Калининском направлении, в Орловской, Калинковичско-Мозырской, Белорусской наступательных операциях. Член ВКП(б)/КПСС с 1943 года.
Командир отделения связи 432-го гаубичного артиллерийского полка старший сержант И.Н. Арсеньев только в январе 1944 года в боях восточнее города Калинковичи Гомельской области под огнём противника устранил на линии связи 29 повреждений.
В ходе Белорусской наступательной операции 20 июля 1944 года вместе со стрелковыми подразделениями старший сержант И.Н. Арсеньев переправился через реку Западный Буг. Когда была разбита огнём врага лодка - доплыл до западного берега вплавь с тремя катушками телефонного провода на себе. На плацдарме установил связь с дивизионом и обеспечивал корректировку огня батарей. В боях по удержанию плацдарма показал образец мужества и героизма, лично уничтожил до 60 гитлеровцев.
Указом Президиума Верховного Совета СССР от 31 мая 1945 года за образцовое выполнение боевых заданий командования и проявленные при этом мужество и героизм старшему сержанту Ивану Николаевичу Арсеньеву присвоено звание Героя Советского Союза с вручением ордена Ленина и медали "Золотая Звезда".
В 1945 году участвовал в Висло-Одерской наступательной операции, в борьбе за удержание Кюстринского плацдарма на Одере, в Берлинской операции. В октябре 1945 года старшина И.Н. Арсеньев демобилизовался.
С 1945 года жил в родном селе, работал в районном военкомате. С 1946 года - студент Воронежского радиотехникума, окончил его в 1950 году. С 1950 года работал в Свердловской области на Уральской базе технического снабжения Главгосстроя СССР. С апреля 1952 года - диспетчер цеха завода разделения изотопов Сибирского химического комбината Министерства среднего машиностроения СССР в городе Томск-7 (ныне Северск Томской области). С августа 1962 года - инспектор ЦК профсоюза по технике безопасности на объектах атомной промышленности в городе Красноярск-45, ныне город Зеленогорск Красноярского края.
Скончался 13 февраля 1984 года. Похоронен на городском кладбище города Зеленогорска, на Аллее почетных граждан города.
Награждён орденами Ленина, Отечественной войны 2-й степени, Красной Звезды, медалью "За отвагу", другими медалями.
В Зеленогорске регулярно проводится чемпионат по греко-римской борьбе среди юношей памяти Героя Советского Союза Ивана Николаевича Арсеньева.