Paola Arnesano nasce a Bari. Studia canto con il soprano Maria Grazia Pani e contemporaneamente recitazione con Antonella Porfido e Franco Damascelli. Il suo esordio come jazz singer risale alla fine degli anni '80, con il quintetto a suo nome con cui occasionalmente ancora collabora, formato tra gli altri da Mario Rosini al piano. Studia pianoforte con Nico Marziliano e arrangiamento per big band con il m° Luigi Giannatempo. Innamorata del jazz samba e della bossanova, ne studia lingua e repertorio, che sfocierà nella costituzione di gruppi stabili agli inizi degli anni '90 come Abrasileirado e Trio de Janeiro, di cui è coleader Guido Di Leone. Fondamentalmente attratta dalle cantanti cool degli anni '50, inizia ad affrontare progetti originali, come canzoni italiane degli anni '40 in chiave jazz, o brani più moderni mai cantati, ai quali aggiunge testi. Inizia nello stesso periodo anche a comporre, ed il tutto sfocierà nei suoi due primi dischi. Nel frattempo viene chiamata a far parte stabilmente del quartetto del contrabbassista Attilio Zanchi, con Guido Di Leone e Gilson Silveira. Ha collaborazione stabile, inoltre, con Davide Santorsola, Mimmo Campanale e Maurizio Quintavalle. In quel periodo arriva al secondo posto al Premio Urbani. Collabora con grossi nomi del panorama jazzistico italiano, come Stefano Bollani, Roberto Ottaviano, Angelo Adamo, Gianni Cazzola, Ettore Fioravanti, Franco Cerri, Gianni Basso, Luigi Bonafede, Tiziana Ghiglioni, Marco Micheli, Massimo Manzi, Tomaso Lama, Gianluca Petrella, Daniele Scannapieco, Aldo Vigorito, Fabrizio Bosso, Pietro Ciancaglini, Enzo Zirilli, Nicola Stilo, Renato Sellani, Ares Tavolazzi, Dado Moroni, con il quale ha tuttora una collaborazione stabile sfociata in un disco in duo. La sua attività concertistica l'ha portata in Inghilterra, Spagna, Portogallo, Francia, Germania, Svizzera e Austria. Ha tenuto diversi seminari in scuole ed università italiane. Da qualche anno è anche stabilmente nel quartetto vocale Faraualla, collaborando con musicisti di grosso calibro come Noa, Maria Pia De Vito, Paolino Dalla Porta, Francesco Sotgiu, Andrea Parodi, Pino Minafra, Rita Marcotulli, Bebo Ferra, Paolo Pietrangeli, Carmen Consoli, Antonella Ruggiero. E' docente presso la scuola Il Pentagramma di Bari dal 1993, ove insegna canto, armonia e tecnica d'improvvisazione. E' docente di Canto jazz presso il Conservatorio Niccolò Piccinni di Bari.
Ha vinto l'Italian Jazz Awards "Luca Flores" 2009 nella categoria "Best Jazz Singer".

La sua carriera è ben rappresentata da dischi a suo nome:

Ha partecipato inoltre ad altre incisioni: