Arno Herzig legte das Abitur am Gymnasium Josephinum Hildesheim ab. Er studierte Geschichte, Germanistik und Geographie an der Universität Würzburg. Dort wurde er promoviert 1966 über die Deutschordenskommende in Würzburg. Er habilitierte sich 1973 und lehrte ab 1979 bis zur Emeritierung im Jahr 2002 Geschichte der Frühen Neuzeit am Historischen Seminar der Universität Hamburg.
Herzig weist zahlreiche Forschungsprojekte und Publikationen auf, u. a. zur deutsch-jüdischen Geschichte, zur Reformationsgeschichte und Konfessionalisierung sowie zur Geschichte Schlesiens. Er führte das Konzept der Rekatholisierung, welches sich an der Konfessionalisierung orientiert, in die frühneuzeitliche Forschung ein.
Seine Beschäftigung mit Schlesien führte zu seinem 70. Geburtstag zu einer Festschrift, die nur von polnischen Autoren geschrieben wurde. Dies ist für einen deutschen Historiker einmalig. Herzig ist seit 2002 korrespondierendes Mitglied der Historischen Kommission für Westfalen, Mitglied der Historischen Kommission für Schlesien und des Leo-Baeck-Arbeitskreises. Herzig erhielt 2010 insbesondere für seine Aufsätze und Monographien zur Geschichte Schlesiens den Kulturpreis Schlesien des Landes Niedersachsen.