Родился в Милане ок. 1527 в патрицианской семье. Получил уроки искусства в мастерской отца. С 1562 работал в Праге, при дворе императора Священной Римской империи Фердинанда I и сменившего его императора Рудольфа II. В 1591 получил графский титул.
Как и многие мастера своего времени, совмещал разные, как художественные, так и инженерные профессии, что идеально соответствовало вкусам тогдашнего пражского двора, страстно увлеченного (в особенности в лице Рудольфа II) не только искусством, но и натурфилософией, в ту пору неразрывно слитой с алхимией и астрологией. Типичные образы Арчимбольди сформировались на фоне богатейшей рудольфинской кунсткамеры (с разного рода природными диковинами), куратором которой он состоял. Был организатором придворных празднеств и маскарадов, конструировал хитроумные сценические механизмы. Возможно, внес этапный вклад в теорию и практику светомузыки: ему приписывается изобретение «перспективной лютни» и «клавесина цвета» – приборов для оптимального образно-ритмического согласования музыки с изобразительным искусством. Однако в историю вошел прежде всего как живописец.

Наиболее известны «фантастические головы», которые он писал с 1560-х годов, – причудливо-пестрые по колориту картины с погрудными «портретами», составленными из тщательно выписанных растений, плодов, цветов, минералов и других вещей природы, а порой и из предметов человеческого мастерства.