Au sortir de l’Ecole nationale de la magistrature, en 1979, Chantal Arens a d’abord occupé les fonctions de juge au Tribunal d’instance de Saint-Avold, puis celles de juge au Tribunal d’instance de Metz. Nommée vice-présidente au Tribunal de grande instance de Thionville en 1984, elle a rejoint, en 1986, le Tribunal de grande instance de Chartres, puis celui de Versailles, en 1989, où elle a exercé successivement les mêmes fonctions. Détachée au ministère des postes et télécommunications entre 1989 et 1993, elle a occupé le poste de chef du bureau du droit communautaire puis celui d’adjointe au sous-directeur des affaires juridiques. Elle a ensuite été mise à disposition du Ministère des affaires étrangères lors de la présidence française des Accords de Schengen, pendant le dernier semestre de l’année 1993. Elle a rejoint, en cette même fin d’année, le Tribunal de grande instance de Paris en qualité de premier substitut, avant d’occuper le poste de chef de la section de la délinquance astucieuse au pôle financier.
Nommée inspectrice des services judiciaires en 1999, elle est devenue cheffe de juridiction en étant nommée, successivement, présidente du Tribunal de grande instance d’Evreux en 2002, présidente du Tribunal de grande instance de Nanterre en 2008, puis présidente du Tribunal de grande instance de Paris en 2010. En 2012, elle est membre de la Commission pour la rénovation de la vie politique, présidée par Lionel Jospin.

En septembre 2014, Chantal Arens a été installée dans les fonctions de première présidente de la cour d’appel de Paris ; enfin, en juin 2019, le Conseil supérieur de la magistrature l’a choisie pour succéder à Bertrand Louvel en qualité de Première présidente de la Cour de cassation. Elle est ainsi la deuxième femme à exercer cette éminente fonction, après Simone Rozès (1984-1988). Elle a, parallèlement, présidé la formation du Conseil supérieur de la magistrature compétente à l’égard des magistrats du siège ; elle a été aussi vice-présidente du conseil d’administration de l’Ecole nationale de la magistrature.
Lors de son mandat à la tête de la juridiction la plus élevée de l'ordre judiciaire français, le rapport Cour de cassation 2030 a été rendu ; en outre, la Cour a développé les données ouvertes, les relations internationales, avec les juridictions du fond et avec le grand public. Elle a proposé, avec François Molins, l’organisation des États généraux de la justice : entre octobre 2021 et février 2022, près de 50.000 citoyens, acteurs et partenaires de la justice ont formulé des propositions pour la justice de demain. Le comité, présidé par Jean-Marc Sauvé, a remis son rapport au Président de la République le 8 juillet 2022.

Officier de la Légion d’honneur, commandeur de l’Ordre national du Mérite, médaillée d’argent de l’Administration pénitentiaire et officier des Palmes académiques.Mme Chantal Arens a quitté ses fonctions le 30 juin 2022.