Das Pfarrdorf Arnstein liegt 5,4 km Luftlinie 206,5 ° südwestlich von Weismain entfernt. Das Dorf befindet sich auf einer Hochebene, die zu den Ausläufern des nördlichen Frankenjuras im Naturpark Fränkische Schweiz gehört. Direkt östlich des Dorfes fällt die Ebene in das Kleinziegenfelder Tal und im Norden in dessen Nebental, den Köttler Grund ab. Durch den Ort führt die Staatsstraße von der Weihersmühle nach Bojendorf (Lkr. Bamberg). Folgende Straßen führen in der Nähe von Arnstein vorbei oder direkt dort hin: St 2210 und St 2191.