Arnaud Jean-Georges Beltrame naît le à Étampes, en Essonne. Fils de Jean-François et de Nicolle Beltrame, il a deux frères, Damien et Cédric.
Sa famille maternelle est originaire de Trédion, dans le Morbihan, où ses grands-parents étaient agriculteurs. Nicolle, sa mère, est revenue s’installer dans sa commune natale au moment de sa retraite.
Le , son père, âgé de 71 ans, prend la mer aux commandes de son bateau à Port-Camargue. L’embarcation est repérée vide un mois plus tard, non loin d’une plage des Bouches-du-Rhône. Jean-François Beltrame aurait laissé un courrier à la capitainerie du Grau-du-Roi indiquant qu’il ne reviendrait plus. Son corps est retrouvé au Grau-du-Roi en , dans les filets d’un bateau de pêche. Il est inhumé le , une semaine avant la mort de son fils Arnaud Beltrame.
Après des études en classe préparatoire de 1991 à 1994 au lycée militaire de Saint-Cyr-l’École (il échoue plusieurs fois à intégrer l’École spéciale militaire de Saint-Cyr), Arnaud Beltrame effectue en 1995 son service militaire, d’abord comme élève officier de réserve à l’École de l’artillerie, puis comme aspirant au 35e régiment d’artillerie parachutiste de Tarbes. Devenu par la suite officier de réserve en situation d’activité (ORSA) au 8e régiment d’artillerie de Commercy, le sous-lieutenant Arnaud Beltrame intègre en 1999 l’École militaire interarmes dont il sort major de la promotion Campagne d’Italie en 2001. Promu lieutenant d’active, il choisit alors la gendarmerie et rejoint l’École des officiers de la Gendarmerie nationale dont il sort à nouveau major de la promotion Capitaine Gauvenet en 2002.
À l’issue de sa formation, il est affecté de 2002 à 2006 au sein de l’escadron 16/1 du groupement blindé de gendarmerie mobile de Satory, où il commande un peloton de VBRG (des véhicules blindés). En 2003, il fait partie des sept sélectionnés sur quatre-vingts candidats pour intégrer l’escadron parachutiste d’intervention de la Gendarmerie nationale (EPIGN), une des composantes du Groupement de sécurité et d’intervention de la gendarmerie nationale. Il y obtient notamment la qualification de chuteur opérationnel. Il est promu capitaine le 1er , année au cours de laquelle il assure, au cours d’une mission en Irak, l’exfiltration d’une ressortissante française. Cette mission conduite par Arnaud Beltrame au péril de sa vie lui vaut d’être décoré de la croix de la Valeur militaire avec citation à l’ordre de la brigade.
En 2006, il rejoint la Garde républicaine en qualité de commandant de la première compagnie de sécurité et d’honneur du 1er régiment d’infanterie de la Garde à Nanterre. Il est promu chef d’escadron le 1er .
Il commande la compagnie de gendarmerie départementale d’Avranches de 2010 à 2014, puis devient conseiller auprès du secrétaire général du ministère de l’Écologie, Francis Rol-Tanguy. En 2014, son ambition de devenir général est brisée par un troisième échec à l’École de guerre, mais l’obtention d’un MBA en 2015 lui permet d’envisager une nouvelle candidature en 2018.
En 2015, il intègre une formation de l’Institut supérieur du commerce de Paris et de l’École européenne d’intelligence économique, dont il sort diplômé en 2016 avec le titre de consultant en intelligence économique. Il est promu lieutenant-colonel en 2016. En , il devient officier adjoint de commandement (OAC) au groupement de gendarmerie de l’Aude, pour pouvoir se rapprocher de sa nouvelle compagne. Le , il supervise un exercice simulant un attentat de grande ampleur dans un supermarché de la région.
Le , alors qu’il se trouve confronté à une prise d’otages dans le Super U de Trèbes — au cours de laquelle le terroriste islamiste Radouane Lakdim venait d’abattre deux personnes — Arnaud Beltrame « prend la place des otages au terme de négociations avec l’auteur des faits », comme l’explique le procureur de la République de Paris, François Molins. Il est 11 h 28 lorsque Arnaud Beltrame entre dans la salle des coffres du supermarché où le terroriste s’est replié. Il se substitue au dernier otage retenu, Julie, une caissière du magasin, âgée de 40 ans. Son face-à-face avec le terroriste dure près de trois heures. Selon Julie Grand, l’otage sauvée par Arnaud Beltrame, ce dernier est entré dans le Super U et a crié au peloton « Vos gueules, reculez, je prends ! ».
Puis, peu avant 14 h 30, le gendarme livre probablement un corps à corps avec le terroriste pour tenter de le désarmer tout en criant « Assaut ! assaut ! » pour prévenir les forces d’intervention. Toutefois, sur le moment, les gendarmes n’entendent pas distinctement ces mots. Ce n’est qu’après plusieurs écoutes qu’ils finissent par comprendre les mots employés par le lieutenant-colonel. L’enregistrement du GIGN laisse entendre des « râles » pendant plusieurs minutes, pendant que le négociateur de la Gendarmerie continue d’essayer d’entrer en contact avec Arnaud Beltrame et le terroriste, ne prenant pas la mesure du drame qui venait de se jouer. Après plus de dix minutes sans réponse, le GIGN donne l’assaut, et abat le terroriste. Le lieutenant-colonel Arnaud Beltrame est découvert dans un état très grave, touché par trois ou quatre balles non létales, à l’avant-bras, à la main et au pied. Des impacts de 9 mm qui laissent à penser que Radouane Lakdim a tiré avec le Sig Sauer du gendarme. Ce dernier est transporté à l’hôpital de Carcassonne où il succombe à ses blessures dans la nuit du au .
L’autopsie révélera que si les lésions par balles étaient non létales, sa mort est due à « une plaie gravissime de la trachée et du larynx par arme blanche », en l’occurrence un couteau de chasse, ayant entraîné une détresse respiratoire. Arnaud Beltrame est donc mort d’avoir été « poignardé à la gorge », les autorités ayant tardé à communiquer sur cette blessure au cou (soit un égorgement) par respect absolu de la dignité des victimes, et pour ne pas « contribuer au dessein de démoralisation recherché par les terroristes ».
Quelques heures avant sa mort, le père Jean-Baptiste Golfier, chanoine de l’abbaye Sainte-Marie de Lagrasse, lui avait donné sa bénédiction apostolique et lui avait administré l’onction des malades.
