Arne Villumsen er søn af fængselsoverbetjent Jens Villumsen og hustru sygehjælper Anny Rasmussen (død 1990). Han blev uddannet ved Det kgl. Teaters Balletskole 1964-69 og var engageret i perioden 1969 til 1996 som periodens førende danser på mandssiden. Han blev solodanser i 1976. Arne Villumsen var sin generations store romantiske Bournonville-fortolker – af James i “Sylfiden”, Gennaro i “Napoli” og Junker Ove i “Et folkesagn”. Men han har også danset Romeo, Albrecht i “Giselle” og prinsen i Harald Landers “Etudes” og “Serenade”. Sidst i karrieren havde han sin dramatiske triumf med titelrollen i John Crankos ballet “Onegin”, som han også selv instruerede. Arne Villumsen blev i 2001 instruktør ved Den Kongelige Ballet, bl.a. af Bournonvilles “Sylfiden”.