Дезире Арто родилась 21 июля 1835 года в столице Франции городе Париже в семье профессора Брюссельской консерватории.
С детства занималась пением. Дезире обладала прекрасным голосом, позволявшим ей впоследствии исполнять партии меццо-сопрано, драматического и лирико-колоратурного сопрано.
В 1855-1857 годах юная певица училась пению у М. Одран и известнейшей певицы своего времени Полины Виардо-Гарсиа. В 1858 году состоялся дебют Дезире Арто на сцене парижской Гранд-Опера в спектакле «Пророк» Мейербера. Прекрасные вокальные данные, а также драматический талант принесли певице заслуженную славу. Вскоре она добилась положения примадонны в Парижской Опере.
Талантливая певица выступала с концертами во многих странах мира. Её лучшими партиями были Фидес («Пророк» Мейербера), Розина («Севильский цирюльник» Россини), Джильда («Риголетто» Верди), донна Анна («Дон Жуан» Моцарта), Маргарита («Фауст» Гуно).
В 1868 году Арто, будучи уже известной европейской певицей, впервые посетила Российскую империю. В Москве она блеснула в итальянской оперной антрепризе Морелли. Пётр Ильич Чайковский, вдохновлённый мастерством певицы, посвятил Дезире Арто несколько романсов для голоса и фортепиано.
Впоследствии Арто вышла замуж за испанского певца-баритона М. Падилью-и-Рамоса. Они начали совместные выступления. В 1870-е годы вместе с мужем Дезире Арто пела в опере в Италии, а также в других европейских странах. Её слава виртуозной оперной певицы с годами всё росла.
С 1884 года Арто вместе с мужем жила в Берлине. В 1889 году они переехали в Париж. В 1899 году певица оставила сцену и занялась преподаванием. Одной из самых известных её учениц была Сигрид Арнольдсон.