Bronze bei der Europameisterschaft und Silber bei der Weltmeisterschaft der Junioren, gewann Arnaud Démare schon im Jahr 2009, ein Jahr später war es die Bronzemedaille bei der EM der U23-Klasse. 2011 wechselte Démare dann als Stagiaire zum Team FDJ, wurde U23-Weltmeister und fuhr mehrere Etappensiege ein.
Wiederum nur ein Jahr später durfte der endschnelle Démare für sein Team schon in der WorldTour an den Start gehen und zahlte das Vertrauen prompt zurück. Mit den Cyclassics in Hamburg gewann er sein erstes Rennen der höchsten Kategorie des Radsports. 2016 gab es mit dem Sieg bei Mailand-Sanremo dann den nächsten Höhepunkt. Die Tour de France 2017 dürfte Démare hingegen in doppelter Hinsicht in Erinnerung bleiben. Er gewann zwar die vierte Etappe nach Vittel, viel jedoch bei der neunten Etappe aus dem Zeitlimit und musste die Frankreich-Rundfahrt verlassen. Auch im Jahr darauf sammelte er einen Etappensieg bei der Tour - und kam diesmal in Paris an.
Arnaud Démare‘s regelrechter Siegeszug beim Giro d’Italia begann mit seinem ersten Etappensieg in der Saison 2019. Im Jahr darauf gewann er gar vier Etappen, sowie das Punktetrikot und konnte diesen Triumph 2022 mit drei Etappensiegen und dem Punktetrikot wiederholen. Neben drei französischen Meistertrikots siegte Démare 2020 auch bei Mailand-Turin. Mit der Auflösung des Teams Arkéa – B&B Hotels, zu dem er 2023 wechselte, beendet Arnaud Démare seine Karriere in diesem Jahr.