Арно Аллан Пензиас родился в Мюнхене, Германия, 26 апреля 1933 года. Он был старшим сыном Карла и Жюстин Пензиас. Из-за прихода к власти Гитлера и их польско-еврейского происхождения старший Пензиас искал способы вывезти семью подальше от ужасов фашизма. Когда британское правительство согласилось принять 10 000 еврейских детей по гуманитарным соображениям, юный Арно и его брат попали в эвакуацию. Их родители смогли присоединиться к ним несколько недель спустя. Через какое-то время семья отправилась в Нью-Йорк и поселилась там в начале 1940 года.
В детстве Пензиас учился в государственных школах Бронкса. В подростковом возрасте он учился в Бруклинской технической средней школе, специализированной государственной школе для мальчиков, а затем поступил в Городской колледж Нью-Йорка, планируя изучать химическую инженерию. Однако на первом курсе Пензиас сменил химию на физику и в 1954 году окончил Городской колледж Нью-Йорка в числе 10% лучших студентов. Впечатляющее достижение, но минусом было то, что он сильно отставал от большинства своих однокурсников именно по физике.
После окончания учебы Пензиас два года служил офицером-радиолокаторщиком в войсках связи армии США. Опыт службы в армии помог Пензиасу получить должность научного сотрудника в Радиационной лаборатории Колумбийского университета, которая в то время активно занималась физикой микроволн. Там Пензиас работал под руководством Чарльза Таунса, который впоследствии изобрел мазер. В 1956 году Пензиас поступил в Колумбийский университет и к 1962 году получил докторскую степень.
После ухода из Колумбийского университета Пензиас стал штатным сотрудником Bell Labs. Он проводил исследования в области радиосвязи и участвовал в новаторских экспериментах по спутниковой связи Echo и Telstar. Как исследователь он специализировался на радиоастрономии, радиопередаче, спутниковой связи и радиоприеме.
В 1963 году Bell Labs наняла еще одного радиоастронома, Роберта Уилсона, который пришел из Калифорнийского технологического института. К 1964 году Пензиас и Уилсон использовали самую чувствительную из доступных радиоастрономических антенн для проведения исследований в области радиоастрономии и спутниковой связи. Ученые установили, что все пространство пронизано слабым сигналом, и решили найти, откуда идет шум. Они систематически исключали различные источники шума и пришли к выводу, что источником является сама Вселенная. Физик из Принстонского университета Роберт Х. Дик, который первым выдвинул идею о «космическом фоновом излучении», оставшемся после первоначального Большого взрыва, породившего Вселенную, согласился с выводами Пензиаса и Уилсона. Это был фундаментальный прорыв в понимании происхождения Вселенной, и за него Пензиас и Уилсон были удостоены Нобелевской премии по физике в 1978 году.
За свою плодотворную и многогранную карьеру Пензиас написал более 100 научных статей, две книги, два научно-фантастических рассказа, множество технических и деловых статей, а также получил более десятка патентов. Помимо Нобелевской премии, он получил множество других наград. Он был избран членом Национальной академии наук и Национальной инженерной академии, а в 1977 году вместе с Уилсоном получил медаль Генри Дрейпера Национальной академии наук за выдающиеся оригинальные исследования в области астрономической физики. В 1977 году Королевское астрономическое общество наградило его медалью Гершеля (за выдающиеся исследования в наблюдательной астрофизике).
