Arlette Leroi-Gourhan), diplômée de l'Ecole du Louvre, suit en 1934 les cours de l'ethnologue Marcel Mauss. Elle y rencontre André Leroi-Gourhan qu'elle épouse en 1937. Dès le mois de février de cette même année, le couple part au Japon, André Leroi-Gourhan ayant obtenu une mission ethnographique de deux ans et une charge d'enseignement à Kyoto. Arlette Leroi-Gourhan s'associe au travail de son époux, réalisant à la fois des travaux photographiques et de secrétariat. Ils se consacrent ensemble à l'étude des derniers Aïnous de l'île d'Hokkaïdo.
Arlette Leroi-Gourhan publiera sous leurs deux noms l'intégralité des données collectées d'abord en France en 1989, puis au Japon en 1991. Leur mission est interrompue en 1939 alors que la situation internationale se dégrade. Arlette Leroi-Gourhan rentre prématurément en France avec des objets destinés au Musée de l'Homme et au Musée Guimet.

Elle se consacre les quinze années suivantes à l'éducation de ses enfants et à la carrière de son époux. Elle s'investit néanmoins dès le début des années 1950 dans sa propre recherche et devient l'initiatrice de la palynologie appliquée à l'archéologie.
Ayant acquis la certitude que l'approche environnementale est indispensable à la démarche archéologique, elle considère que "la reconstitution du paysage botanique rend directement perceptible l'existence matérielle de l'homme" (Emery-Barbier Aline, Leroyer Chantal, Soulier Philippe, "Arlette Leroi-Gourhan (1913-2005)", Bulletin de la Société préhistorique française, 103, n°4, p. 825). Avec les conseils de Madeleine Van Campo, Arlette Leroi-Gourhan analyse les dépôts préhistoriques et en tout premier lieu, ceux des grottes d'Arcy-sur-Cure, puis des sites de Saint-Marcel (Indre) et de la Cotte de Saint-Brelade (Jersey).
L'étude palynologique des dépôts préhistoriques en grotte constitue une démarche complètement novatrice à l'époque. La palynologie apporte des données essentielles à la reconstitution du paléoenvironnement des sites archéologiques, à la compréhension de l'évolution du climat et à l'évolution des chronologies préhistoriques.
A partir de 1955, elle installe un laboratoire d'analyse palynologique au Musée de l'Homme où se trouve le Centre de documentation et de recherches préhistoriques rattaché au laboratoire associé 275 et dirigé par André Leroi-Gourhan. Ce centre devient ensuite le laboratoire d'Ethnologie préhistorique rattaché au CNRS à partir de 1967. Le laboratoire de palynologie est depuis le début une composante du laboratoire d'Ethnologie préhistorique.
Les études palynologiques se développent et viennent compléter les données de la sédimentologie et de la paléontologie pour la reconstitution des paléoenvironnements de même que pour les attributions chrono-climatiques des niveaux stratigraphiques en relation avec les datations C14 : la palynologie devient une composante de la science préhistorique.
Arlette Leroi-Gourhan étend ensuite ses analyses à l'Afrique du Nord et au Moyen-Orient et commence l'étude de grottes françaises et espagnoles du Paléolithique supérieur comme la grotte de Lascaux ou de la Vache. L'ensemble de ses résultats l'amènent à établir un cadre chrono-climatique pour le Paléolithique supérieur. Au Moyen-Orient, ses travaux portent sur l'environnement durant le Paléolithique moyen et supérieur avec le projet "d'établir la trame d'un découpage climatique de cette partie du monde en liaison avec les géologues et les préhistoriens" (ibidem, p.825). Ils portent également sur la paléoclimatologie du Tardiglaciaire et du début de l'Holocène ainsi que sur les prémices de l'agriculture.
Durant ces 50 années de recherche, Arlette Leroi-Gourhan publie de nombreux articles et ouvrages (170 publications) et participent aux grands rassemblements de préhistoriens comme les congrès de l'Association Française pour l’Étude du Quaternaire (AFEQ) ou les congrès de l'International Union for Quaternary Research (INQUA). En témoignage de son implication au sein de la Société préhistorique française, elle en est élue présidente en 1971, puis présidente d'honneur en 1988.
Parallèlement à ses activités de recherche, elle enseigne l'analyse pollinique et forme des palynologues aujourd'hui reconnus comme Aline Emery-Barbier qui poursuit le travail d'analyse pollinique au sein de l'actuelle équipe "Ethnologie préhistorique".
Arlette Leroi-Gourhan ne s'installe pas à la Maison René-Ginouvès en 1997 et conserve jusqu'en 2001 un petit bureau au musée de l'Homme auquel elle était très attachée.
Bien qu'ayant mené ses recherches de façon bénévole, elle a produit une œuvre scientifique remarquable et internationalement reconnue, marquée par son entrée dans l'Ordre national du Mérite, la médaille de chevalier lui ayant été remise le 9 mars 1990 au Musée de l'Homme par le Professeur Yves Coppens.