Трижды была замужем. Первый муж — диадох Лисимах, которому она родила троих сыновей — Птолемея, Лисимаха и Филиппа. Конец браку положила смерть Лисимаха в битве при Курупедиуме в 281 году до н. э. После чего она держала под своим командованием гарнизон Кассандрии до зимы в 281-280 годах до н. э.
Вторым браком в 280 году до н. э. вышла замуж за своего единокровного брата Птолемея Керавна, царя Македонии (сына Птолемея I и Эвридики I). Брак закончился тем, что Керавн убил двоих её младших, малолетних детей от Лисимаха, после чего она бежала на Самофракию. От этого брака у неё не было детей.
Третьим браком вышла замуж за своего родного брата Птолемея II Филадельфа, между 280 и 272 (вероятно, 273) годами до н. э. Она не имела детей от Филадельфа, но после её смерти (вероятно, в конце 260 года до н. э.) Птолемей II объявил её законной матерью своих детей от Арсинои I.
Арсиноя II была объединена с Птолемеем II в 273-271 годах до н. э. в культ богов Филадельфов. Птолемей II переименовал Крокодилополь в Арсиною в её честь.
Согласно наиболее распространенной версии, на «Камее Гонзага» представлены изображения в профиль Птолемея II и Арсинои II. Впрочем, некоторые исследователи выражают сомнения в истинности этой версии.