Nel corso della sua carriera ha vinto 14 medaglie ai Giochi olimpici invernali, guidando la classifica degli atleti italiani più medagliati nella storia dei Giochi, sia invernali sia estivi. Tra le varie medaglie conquistate spicca la doppia affermazione olimpica sui 500 metri, a Pyeonchang 2018 e Pechino 2022, oltre a quella nella staffetta mista a Milano Cortina 2026.
Vincitrice di due Coppe del Mondo sulla distanza dei 500 metri e di una in staffetta, vanta venticinque medaglie d'oro europee e molteplici medaglie ai Campionati mondiali, tra le quali spicca l'oro vinto a Mosca nel 2015.
Biografia 2006-2009: esordio in Coppa del Mondo, bronzo a Torino e primi successi europei
È figlia di Maria Luisa Vedovatti. Cresciuta a Polaggia, frazione del Comune di Berbenno di Valtellina, muove i primi passi nella Lanzada Ghiaccio, per poi approdare nell'ASD Bormio Ghiaccio. Dopo l'esordio in Nazionale a soli 15 anni in Coppa del Mondo, si classifica al secondo posto ai Campionati Europei di Krynica-Zdroj del 2006, con tre podi conquistati sulle distanze dei 500, 1500 e 3000 m.
Partecipa dunque ai Giochi di , gareggiando sulle distanze dei 500 e 1000 metri; partecipa inoltre alla staffetta con le compagne Marta Capurso, Mara Zini, Katia Zini e Cecilia Maffei, ottenendo la medaglia di bronzo. Con questa medaglia, Arianna diventa l'atleta italiana più giovane ad aver vinto una medaglia ai Giochi olimpici invernali, all'età di 15 anni e 314 giorni, e viene insignita del titolo di Cavaliere.
Nella stagione 2006-2007 arrivano i primi piazzamenti in Coppa del Mondo, soprattutto nei 500 m e nella staffetta, dove la continuità di risultati della squadra azzurra permette la conquista della Coppa del Mondo di specialità. Chiude la stagione con una seconda posizione nella classifica generale dei 500 m e conquista una medaglia d'argento sui 500 m ai campionati mondiali svolti a Milano.
Nelle due stagioni successive, 2007-2008 e 2008-2009, ottiene il podio in Coppa del Mondo nei 500 m e nella staffetta per poi conquistare il titolo continentale sia a Ventspils che a Torino.
2009-2010: Giochi di Vancouver
Nella Coppa del Mondo 2009-2010 Fontana non riesce ad ottenere alcun podio, ma i suoi piazzamenti le consentono comunque di centrare la qualificazione olimpica. Agli Europei di gennaio a Dresda conclude la competizione al secondo posto, dietro alla slovacca Kateřina Novotná.
Ai Giochi di esce nella semifinale dei 1500 m, vince la Final B e chiude al nono posto; nella staffetta, con la squadra composta da Fontana, Valcepina, Zini e Maffei, le azzurre vengono eliminate in semifinale. Sulla distanza dei 500 metri, ottiene la medaglia di bronzo si tratta della prima medaglia olimpica individuale di un'atleta italiana nello short track.
2010-2014: la conquista della Coppa del Mondo La stagione successiva si apre con il cambio della guida tecnica della nazionale; al posto del commissario tecnico Magarotto arriva infatti un canadese, Éric Bédard. Sotto la nuova gestione tecnica, Fontana conquista qualche podio nella Coppa del Mondo, il titolo europeo ad Heerenveen e, per la prima volta nella sua carriera, una medaglia di bronzo ai Campionati Mondiali disputati a Sheffield, grazie a due medaglie d'argento conquistate su 500 e 1000 m.
Per la stagione di Coppa del Mondo 2011-2012 entra a far parte dello staff tecnico l'allenatore canadese Kenan Gouadec. Fontana conquista 5 medaglie d'oro a Saguenay (500), Nagoya (500 e 1500), Shanghai (500) e Dordrecht (500), chiudendo al primo posto la classifica generale della Coppa del Mondo di short track 2012 nella specialità dei 500 metri e diventando la prima pattinatrice azzurra a conquistare la Coppa del Mondo di short track. La stagione si conclude con la conquista del quarto titolo europeo e bissando del terzo posto mondiale a Shanghai, con un argento sui 500 m e una seconda posizione nella 3000 m SuperFinal.
Le due stagioni seguenti sono preparatorie per i XXII Giochi olimpici invernali, programmati a Soči per il febbraio 2014. Nel corso della prima stagione Fontana è frenata da qualche infortunio, ma si piazza sul podio proprio in occasione della tappa di Coppa del Mondo svolta nella città destinata ad ospitare il successivo evento olimpico. Arriva inoltre anche il quinto titolo europeo, conquistato a Malmö. Nel corso della seconda il programma della Coppa del Mondo si riduce a sole quattro tappe in vista dei Giochi: Fontana sale sul podio a Seul, Torino e a Kolomna, dove conquista una medaglia d'oro sulla distanza dei 1000 m. Agli europei di Dresda chiude invece al terzo posto, dietro all'olandese Jorien ter Mors e alla britannica Elise Christie.
2014-2017: Giochi di Soči, medaglie mondiali ed europee
Fontana si presenta ai Giochi di con l'obiettivo dichiarato di centrare la finale nelle tre distanze individuali (500, 1000 e 1500 metri) e nella staffetta. Il 13 febbraio 2014 è impegnata sui 500 metri; Fontana si qualifica alla finale insieme alla coreana Park Seung-hi, alla britannica Elise Christie e alla cinese Li Jianrou, impegnata su questa distanza a causa dell'infortunio subito dalla compagna di nazionale Wang Meng un mese prima. Li Jianrou ottiene la medaglia d'oro, sfruttando la caduta di tutte e tre le avversarie, provocata da una entrata scorretta della Christie ai danni della stessa Fontana. Al termine della gara, l'atleta britannica è squalificata e Fontana diventa medaglia d'argento.
Il 15 febbraio disputa le finali dei 1500 metri insieme alle coreane Park e Shim Suk-hee, alle cinesi Li e Zhou Yang, e all'olandese Jorien ter Mors, classificandosi in terza posizione dietro alla Zhou e alla Shim, conquistando così una medaglia di bronzo. Il 18 febbraio si aggiudica un'altra medaglia di bronzo nella staffetta 3000 metri insieme alle compagne Lucia Peretti, Martina Valcepina ed Elena Viviani, anche a causa della squalifica inflitta alla Corea. Nei 1000 metri invece cade nelle eliminatorie ed è squalificata.
La stagione successiva ai Giochi vede il tecnico Éric Bédard passare alla nazionale francese, lasciando la conduzione unica a Kenan Gouadec. Nella Coppa del Mondo, in occasione delle prime due tappe disputate a Salt Lake City e Montréal, Fontana conquista cinque medaglie (un oro, tre argenti e un bronzo). Dopo aver saltato le due successive tappe asiatiche, rientra a Torino per disputare i campionati italiani, che vince per la quinta volta, e partecipa gli Europei di Dordrecht dove si classifica in quarta posizione. Nelle ultime due tappe di Coppa del Mondo, svolte a Dresda e a Erzurum, conquista tre medaglie d'oro sulle tre diverse distanze; ai Campionati Mondiali di Mosca del 2015 ottiene la medaglia d'argento nella classifica generale, vincendo l'oro sui 1500 m, il bronzo su 500 m e 1000 m, e il bronzo nella staffetta. La medaglia d'oro va alla diciottenne coreana Choi Min-jeong.
Nella stagione successiva decide di prendersi una pausa dallo short track, rientrando solamente nelle ultime due tappe europee di Coppa del Mondo e contribuendo alla conquista delle medaglie d'oro insieme alle compagne di staffetta. Nel 2017 Fontana conquista due medaglie nelle tappe di Coppa del Mondo di Calgary e Shanghai; ai Campionati Europei di Torino vince la medaglia d'oro nei 1500 m, chiude al quarto posto i 500 m e viene squalificata nella finale dei 1000 m. Arriva dunque alla 3000 m SuperFinal con 15 punti di ritardo dalla giovane russa Sof'ja Prosvirnova; tuttavia riesce a rimontare lo svantaggio, vincendo il titolo di campionessa europea, il sesto della sua carriera. Chiude la stagione vincendo i mondiali militari di Soci e i campionati italiani di Courmayeur. A Dresda, in occasione dei Campionati Europei, ottiene il suo settimo titolo continentale, grazie al secondo posto della finale dei 500, alla vittoria dei 1000 metri e alla seconda posizione dei 3000 SuperFinal.
2018-2020: l'oro di Pyeongchang
Per i Giochi di , in Corea del Sud, il CONI nomina Arianna Fontana portabandiera dell'Italia, in occasione della cerimonia di apertura avvenuta il 9 febbraio 2018. In occasione dei 500 metri, arriva in finale, riuscendo a mantenere il comando per l'intera gara e a vincere così il suo primo oro olimpico, realizzando nel contempo il suo nuovo record personale con il crono di 42.569. Si qualifica anche per la finale dei 1500 metri, dove tuttavia non riesce ad andare oltre la settima posizione. Nella staffetta 3000 metri la squadra azzurra, composta da Fontana, Martina Valcepina, Lucia Peretti e Cecilia Maffei, conclude la gara in terza posizione; la successiva squalifica della Cina porta l'Italia al secondo posto. Giunge inoltre terza nella finale dei 1000 metri; questo bronzo, ottava medaglia olimpica della sua carriera, le permette di diventare la seconda atleta italiana più medagliata di sempre ai Giochi olimpici invernali, alle spalle di Stefania Belmondo.
Dopo aver disputato i Giochi, nel 2019 decide di prendersi una seconda pausa dallo short track. Nel frattempo viene nominata testimonial della candidatura dell'Italia all'organizzazione dei XXV Giochi olimpici invernali a Milano e Cortina d'Ampezzo. Il ritorno alle gare avviene nella stagione 2019-2020, con l'obiettivo dichiarato di provare a vincere il Campionato del Mondo previsto a Seoul nel marzo 2020. Vince quattro medaglie sia nelle tappe iniziali di Coppa del Mondo di Salt Lake City e Nagoya, sia al Campionato Europeo di Debrecen, dove chiude la classifica generale in seconda posizione alle spalle dell'olandese Suzanne Schulting; la pandemia di COVID-19 determina però l'annullamento del Campionato del Mondo.
A causa di divergenze con la federazione, nel settembre 2020 Arianna si trasferisce a Budapest e inizia ad allenarsi con la nazionale ungherese. Non partecipa ai Campionati Europei di Danzica, ma conquista tre medaglie ai Campionati Mondiali di Dordrecht, concludendo la competizione in terza posizione dietro Suzanne Schulting e Courtney Sarault. Lascia anche le Fiamme Gialle, iniziando a gareggiare solo per la società civile Icelab di Bergamo. Dal 2021: gli ori di Pechino e Milano Cortina
Nel corso delle tappe di Coppa del Mondo di avvicinamento dell'autunno 2021 va sempre a podio nei 500 metri (vincendo la tappa di Nagoya) e in questo modo si aggiudica nuovamente, a nove anni di distanza, la Coppa del Mondo di short track.
Nel corso della spedizione olimpica a , esordisce al primo giorno di gare con una medaglia d'argento nella nuova distanza della staffetta mista insieme a Martina Valcepina, Arianna Valcepina, Andrea Cassinelli, Yuri Confortola e Pietro Sighel, che in finale arriva a pochi millesimi dalla Cina medaglia d'oro. Due giorni dopo si conferma campionessa olimpica sui 500 metri, compiendo il sorpasso decisivo all'olandese Schulting a due giri dalla fine. Nel corso dell'ultimo giorno di gare sfiora il bis con un argento nei 1500, alle spalle della coreana Choi. Con quest'ultima medaglia supera Stefania Belmondo nella classifica degli atleti italiani con il maggior numero di medaglie ai Giochi olimpici invernali, diventando così la più medagliata di sempre in queste competizioni.
Nei mesi successivi ai Giochi entra in aperta polemica con la FISG e parte dei compagni di nazionale, non gareggiando con l'Italia nel corso di tutto il 2023. L'anno seguente torna ufficialmente alle competizioni prendendo parte ai Mondiali di Rotterdam, durante i quali conquista un bronzo nei 1000 metri. In vista dei Giochi di inizia a dedicarsi, in parallelo allo short track, anche allo speed skating; tuttavia, un infortunio al flessore nell'ottobre del 2025 le impedisce di centrare la qualificazione olimpica in tale specialità. Nello short track, invece, tra il 2025 ed il 2026 si aggiudica tre medaglie d'oro e una medaglia d'argento ai Campionati Europei.