Los padres de Arkani-Hamed son físicos iraníes. Su padre, Jafar Arkani-Hamed, natural de Tabriz, Azerbaiyán (Irán), fue Director del Departamento de Física de la Universidad Tecnológica Sharif de Teherán (Irán), y más tarde enseñó Ciencias de la Tierra y Planetarias en la Universidad McGill de Montreal.
Arkani-Hamed se licenció en Matemáticas y Física por la Universidad de Toronto en 1993 y cursó estudios de posgrado en la Universidad de California en Berkeley, donde trabajó bajo la supervisión de Lawrence Hall. La mayor parte de su trabajo de posgrado se centró en estudios de supersimetría y física de sabores. Su tesis doctoral se tituló "Supersimetría y jerarquías". Terminó su doctorado en 1997 y fue al SLAC de la Universidad de Stanford para realizar estudios posdoctorales. Durante este tiempo trabajó con Savas Dimopoulos y desarrolló el paradigma de las grandes dimensiones extra.
En 1999 se incorporó al cuerpo docente del Departamento de Física de la Universidad de California en Berkeley. Pidió una excedencia en Berkeley para visitar la Universidad de Harvard a partir de enero de 2001. Poco después de llegar a Harvard trabajó con Howard Georgi y Andrew Cohen en la idea de las dimensiones extra emergentes, apodada deconstrucción dimensional. Estas ideas condujeron finalmente al desarrollo de las pequeñas teorías de Higgs.
Se incorporó oficialmente al cuerpo docente de Harvard en otoño de 2002. Arkani-Hamed ha aparecido en varios programas de televisión y periódicos hablando de espacio, tiempo y dimensiones y del estado actual de la física teórica. En 2003 ganó la Medalla Gribov de la Sociedad Europea de Física, y en el verano de 2005, durante su estancia en Harvard, obtuvo el premio "Phi Beta Kappa" a la excelencia docente. Apareció en el documental de 2013 Particle Fever.
Arkani-Hamed participó en el proyecto Stock Exchange of Visions en 2007.
En 2008, Arkani-Hamed ganó el Premio Raymond y Beverly Sackler, concedido en la Universidad de Tel Aviv a jóvenes científicos que hayan realizado contribuciones destacadas y fundamentales en Ciencias Físicas.
En 2009 fue elegido miembro de la Academia Americana de las Artes y las Ciencias. En 2010, Arkani-Hamed pronunció las conferencias Messenger en la Universidad de Cornell.
Fue catedrático de Física en la Universidad de Harvard entre 2002 y 2008, y ahora es miembro del cuerpo docente del Instituto de Estudios Avanzados.
Nima Arkani-Hamed también fue elegido miembro del Comité de Selección del Premio Breakthrough de Física Fundamental 2015.
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