Nació el 5 de mayo de 1921 en la ciudad de Mount Vernon, situada en el estado norteamericano de Nueva York. Hijo de un emigrante letón y una emigrante canadiense, en 1924 su familia se traslada a Canadá, donde estudió física en la Universidad de Toronto.
Entre 1951 y 1961 trabajó en los Laboratorios Bell de Nueva Jersey, desarrollando trabajos sobre óptica e investigando sobre la superconductividad así como la dualidad máser / láser. A partir de 1961, desarrolló en la Universidad de Stanford sus estudios sobre espectroscopia, y amplió su búsqueda en la superconductividad y la Resonancia magnética nuclear.
En 1955 Schawlow, junto con Charles Townes (físico y profesor estadounidense, laureado con el premio Nobel de Física en 1964), consiguió desarrollar el espectroscopio de microondas, y en 1958 se disputó, infructuosamente, la patente del láser con Gordon Gould.
Finalmente, en 1981 fue galardonado con el Premio Nobel de Física por su contribución al desarrollo del láser espectroscópico, premio que compartió con Nicolaas Bloembergen y Kai Siegbahn. Aunque Bloembergen y Schawlow centraron sus investigaciones sobre la materia indetectable en los láseres y Siegbahn especialmente por sus contribuciones en el desarrollo del láser espectroscópico de alta resolución. Arthur Schawlow murió de leucemia el 28 de abril de 1999 en la ciudad de Palo Alto, situada en el estado de California.
