Нейрохирург, ему принадлежат фундаментальные исследования по патофизиологии, клинике, диагностике и хирургическому лечению опухолей, воспалительных поражений головного мозга и неутолимых болей, он также разрабатывал вопросы лечения геморрагических инсультов, сформулировал основные принципы лечения аневризм сосудов головного мозга. В 1961 году выполнил первую стереотаксическую операцию у больного с подкорковым гиперкинезом. Автор 200 научных трудов.
Доктор медицинских наук (1944), профессор (1945), академик АМН СССР (1967), Герой Социалистического Труда (1974).
Один из организаторов Института нейрохирургии МЗ УССР, которым руководил в 1950-1964 г. С 1964 г. и до конца жизни - директор Института нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. Имеет государственные награды.
Скончался А.И. Арутюнов 5 июня 1975 года, похоронен в Москве на Новодевичьем кладбище (7 уч. 10 ряд).
