Arturo Graf nasce ad Atene da padre tedesco di Norimberga, Adolfo Graf, commerciante, e madre italiana di Ancona, Serafina Bini, e nel 1851 si trasferisce a Trieste con la famiglia. Alla morte del padre va a vivere a Brăila, in Romania, ospite del fratello della madre e solamente nel 1863 rientra in Italia dove frequenta il liceo a Napoli. Terminato il liceo, segue le lezioni di Francesco de Sanctis, ma in seguito s'iscrive a giurisprudenza e si laurea in legge nel 1870.
Si dedica intanto, per un breve periodo, al commercio a Braila e al ritorno in Italia si reca a Roma dove conosce Ernesto Monaci con il quale stringe una salda amicizia, iniziando approfonditi studi sul Medioevo del quale si occupò anche in seguito, con particolare attenzione ai suoi aspetti simbolici.
Le dolorose vicende familiari di questo periodo, tra le quali la morte per suicidio del fratello Ottone nel 1894, lo avvicinano alla religione: Graf scrive l'opera Per una fede nel 1906, il Saggio sul "Santo" di A. Fogazzaro, gli aforismi e le parabole di Ecce Homo nel 1908 e il suo unico romanzo, Il riscatto, nel 1901. Il riscatto rimane uno degli elaborati più caratteristici dello spiritualismo del primo Novecento, dove viene rappresentata, anche con riferimenti autobiografici, la contrapposizione fra la legge dell'ereditarietà, nella quale necessariamente ogni avvenimento deve essere determinato da quello che lo precede, e la volontà individuale intenta a liberarsi dei legami e a fuggire.
L'opera poetica di Graf risente dell'atmosfera cupa delle leggende medievali, tipiche del primo romanticismo con le meditazioni sulla morte, sul male del mondo, la visione di paesaggi solitari e patetiche esistenze tragiche che troppo spesso si risolvono in macabre rappresentazioni e, solo di rado, in un più acuto simbolismo che consente all'autore di raggiungere un'efficace simbologia funebre, tetra, sommessa, percorsa da lunghi brividi musicali.
Egli compose inoltre un gran numero di opere di critica letteraria che risentono del tentativo di partecipare alla filologia della scuola storica e rivelano la sapienza di un lettore sensibile ed entusiasta.
Miti, leggende e superstizioni del medioevo (2 voll.), Loescher, Roma 1892-1893 ora riedito in versione integrale a cura di C. Allasia e W. Meliga, prefazione di M. Guglielminetti, saggi introduttivi di E. Artifoni e C. Allasia, Bruno Mondadori, Milano, 2002.
L'anglomania e l'influsso inglese in Italia nel sec. XVIII, Treves, Milano, 1911. Riedito a cura di Francesco Rognoni e Pierangelo Goffi, La scuola di Pitagora, Napoli, 2020.
Confessioni di un maestro. Scritti su cultura e insegnamento con lettere inedite, a cura di Stefania Signorini, Interlinea, Novara, 2002.
Benedetto Croce, Arturo Graf [1905], in Id., La letteratura della nuova Italia, Bari, Laterza, 1943, pp. 210–219.
De Liguori, G., I baratri della ragione, Arturo Graf e la cultura del secondo Ottocento. Presentazione di Eugenio Garin, Lacaita, Manduria (TA) - Bari - Roma, 1986.
Carlo Curto, Arturo Graf, in Letteratura italiana. I Minori, vol. IV, Milano, Marzorati, 1962, pp. 3127–3145.
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C. Allasia, «Gli studi cari ad entrambi». Lettere di A. Graf a F. Novati, in «Giornale Storico della Letteratura Italiana» CLXXI, 1994, pp. 226–257.
C. Allasia, «A cor ti stia soprattutto di non tradire te stesso». Lettere confidenziali di A. Graf a una giovane allieva, in «Studi Piemontesi», XXIII, 1994, pp. 493–502.
C. Allasia, «Uomo instancabile, ringraziamenti e congratulazioni»: lettere inedite di A. Graf ad Angelo Solerti, in «Italianistica», dicembre 1996.
C. Allasia, Lettere di Arturo Graf a Benedetto Croce, in appendice a Croce in Piemonte, Atti del convegno tenutosi a Torino e Biella l'8-10 maggio 2003, a cura di C. Allasia, Napoli, Editoriale Scientifica, 2006, pp. 537–559
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Arturo Graf, Lettere a Vittorio Cian, a cura di C. Allasia, Firenze, Le Lettere, 1996.
Arturo Graf militante, a cura di C. Allasia, con saggio introduttivo di M. Guglielminetti, Torino, Scriptorium, Paravia, 1998
Emanuela Bufacchi, "A commentar Dante ci vuole un medievalista". Saggi sul dantismo critico di Arturo Graf, prefazione di Achille Tartaro, Firenze, Le Lettere, 2008.
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C. Allasia, L'idea concubina. Le tentazioni di un intellettuale fin de siècle, Alessandria, dell'Orso, 2012.
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Citazione, su griseldaonline.it. URL consultato il 27 ottobre 2006 (archiviato dall'url originale il 14 maggio 2006).
Alla memoria di Arturo Graf si ispira l'attività dell'Istituto Graf di Bologna, associazione dedita allo studio dei rapporti fra arte e folklore Istituto Graf