Arvi Freiberg on sündinud 28. juunil 1948 Kuremäe külas Ida-Virumaal ning 1966. aastal lõpetas ta Paide keskkooli. Hariduse jätkamisel olid kaalumisel tehnilised erialad ja füüsika. Otsus langes pooljuhtmaterjalide tehnoloogia kasuks Tallinna polütehnilises instituudis (praegune Tallinna tehnikaülikool), mille ta lõpetas 1971. aastal. Füüsika-matemaatikakandidaadi väitekirja (mida praegu loetakse võrdseks PhD väitekirjaga) teemal “Elektron-foononinteraktsiooni iseärasused ja defektide mõju molekulaartsentrite spektritele leelishalogeniidkristallides” kaitses Arvi Freiberg 1976. a Eesti TA füüsika instituudis ning füüsika-matemaatikadoktori väitekirja teemal “Pikosekundiline spektrokronograafia ja relaksatsiooniprotsessid molekulaarsetes tihksüsteemides” 1986. a Läti TA füüsika instituudis.
Pärast ülikooli lõpetamist asus Arvi Freiberg akadeemia asepresidendi akadeemik Karl Rebase kutsel tööle Eesti teaduste akadeemia füüsika instituudis (aastast 1997 TÜ füüsika instituut), kus ta on töötanud inseneri, noorem- ja vanemteaduri, sektorijuhataja, teadusdirektori ja direktori (1989–1995), labori- ja osakonnajuhataja ametikohtadel. Alates 1988. aastast on ta füüsika instituudi biofüüsika labori juhataja. Aastatel 2003–2021 oli Tartu ülikooli biofüüsika ja taimefüsioloogia professor, õppetooli juhataja. Alates 2021. aastast on ta Tartu ülikooli emeriitprofessor.
Eesti teaduste akadeemia liikmeks täppisteaduste alal valiti Arvi Freiberg 2009. aastal. Alates 2018. aastast on ta akadeemia asepresident.
Arvi Freibergi teadustöö põhisuundadeks on olnud fotobiofüüsika (sh fotosünteesi esmased protsessid), biospektroskoopia (sh kõrgete rõhkude all), ülikiire (femto- ja pikosekunddiapasoonis) spektroskoopia, tihksüsteemide spektroskoopia. Lisaks veel uuringud bio- ja keskkonnateaduste valdkonnas (näiteks biotehnoloogia, molekulaarbioloogia, rakubioloogia, biofüüsika, majanduse- ja tehnoloogia alal).
Akadeemik Freiberg on olnud paljudel ühiskondlikel ja administratiivsetel ametipostidel – Tallinna tehnikaülikooli kuratooriumi esimees, Tartu ülikooli nõukogu liige, Tartu ülikooli füüsika instituudi nõukogu liige, Eesti teadusfondi täppisteaduste nõukogu esimees, Tartu teaduspargi nõukogu esimees, Tartu Rotary klubi president. Ta on olnud ka paljude rahvusvaheliste teaduskonverentside programmkomiteede ning ekspertkomisjonide liige. Praegu (2022–2023) on ta Eesti esindaja rahvusvahelise alusteaduste aasta 2022 (IYBSSD 2022) juhtkomitees.
Arvi Freibergi initsiatiivil on loodud esimene biofüüsika magistriõppekava Eestis. Tema juhendamisel on kaitstud seitse doktoritööd. Mitmed tema õpilased on tõusnud professoriks välismaal. Akadeemiku sulest on ilmunud üle 200 teadusliku publikatsiooni, sh üks kaastoimetatud raamat.
2005. aastal pälvis akadeemik Freiberg MTÜ Loodusajakirja aastapreemia “Seest suurem Eesti”. 2006. a sai ta kollektiivi juhina Eesti Vabariigi teaduspreemia täppisteaduste alal. 2013. a autasustas Tartu ülikool Arvi Freibergi ülikooli väikese medaliga ning 2014. aastal pälvis ta Austraalia Teadusfondi (ARC) rahvusvahelise koostöö auhinna. 2018. aastal sai ta Tartu ülikooli suure medali.