Еще в детстве под руководством матери овладел французским и немецким языками. Уже взрослым самостоятельно выучил английский и польский языки.
Семья Фраучи была близка к революционным кругам России. После поражения первой русской революции 1905—1907 годов в семье скрывались большевики Подвойский, Ангарский, его брат Клестов и будущий видный чекист, член Коллегии ВЧК—ОГПУ Михаил Кедров, который позднее сыграл значительную роль в жизни Артура.
В 1909 году с золотой медалью окончил Новгородскую мужскую гимназию и поступил на металлургический факультет Петербургского политехнического института. Летние каникулы провел в Петербурге, по заданию Кедрова развозил пакеты с запрещенной большевистской литературой, приобретая первые навыки конспирации. Во время учебы в Политехническом институте активно участвовал в работе нелегальных партийных кружков.
Незадолго до Февральской революции 1917 года, получив диплом с отличием по специальности инженера-металлурга, Артур Фраучи стал работать в Металлургическом бюро, которым руководил выдающийся русский ученый-металлург В. Е. Грум-Гржимайло. При советской власти Металлургическое бюро преобразовали в Государственный институт по проектированию агрегатов сталелитейного производства — «Стальпроект».
Сослуживцы и сам профессор В. Е. Грум-Гржимайло прочили Артуру блестящую карьеру на инженерном поприще, однако он пошел иным путем. В декабре 1917 года вступил в большевистскую партию и целиком посвятил себя политической деятельности, навсегда оставив карьеру инженера. Тогда же берет партийный псевдоним Артузов, ставший позже его официальной фамилией. В Военной организации большевиков Артузов познакомился с профессиональным революционером, будущим преемником Дзержинского на посту председателя ОГПУ Менжинским, под руководством которого он позже разработает и осуществит ряд блестящих чекистских операций по обезвреживанию контрреволюционного подполья.
Весной 1918 года в северных районах России, особенно в Мурманске и Архангельске, создалась сложная и опасная обстановка. 6 марта в Мурманске высадился английский десант под предлогом защиты Севера от германского вторжения. За ним вскоре последовали французские и американские интервенты. К началу июля в Мурманске под командованием английского генерала Ф. Пула уже находилось до семнадцати тысяч интервентов, которых поддерживали около пяти тысяч белогвардейцев.
Совет народных комиссаров направляет на Север специальную комиссию под руководством М. С. Кедрова. В ее составе в качестве секретаря работает и Артузов. Сотрудники комиссии Кедрова устанавливали советскую власть на Севере России. Артузов принимал участие в боях с английскими интервентами под Архангельском. Ему была поручена эвакуация стратегических грузов из Архангельского порта. В короткий срок оттуда было вывезено свыше 40 миллионов пудов угля и большое количество боеприпасов.
К осени 1918 года функции комиссии Кедрова были исчерпаны. Артузов переезжает в Москву и по рекомендации Кедрова поступает на службу в ВЧК. Работает особоуполномоченным и следователем ВЧК, выполняет ответственные задания Дзержинского и Менжинского на Западном и Юго-Западном фронтах, принимает непосредственное участие в операциях по ликвидации крупных контрреволюционных организаций.
В начале 1920 года Артузов становится начальником Особого отдела ВЧК. Поскольку весной того же года панская Польша при поддержке Антанты начала войну против Советской России, Артузов трижды выезжал на фронт с мандатом ВЧК для согласования деятельности Особых отделов фронтов и армий.
В мае 1922 года из Особого отдела был выделен контрразведывательный отдел (КРО), возглавить который поручили Артузову. На этом посту он принимал непосредственное участие в проведении многих чекистских операций, в частности в ликвидации заговора монархистов-николаевцев, знаменитой операции «Синдикат-2» по выводу в СССР и аресту известного террориста Бориса Савинкова, в операции «Трест», завершившейся арестом международного шпиона и заговорщика, британского разведчика Сиднея Рейли, и многих других. Эти операции стали классическим примером совместной работы разведки и контрразведки и вошли в учебники многих спецслужб мира.
Летом 1930 года внешняя разведка органов государственной безопасности — ИНО ОГПУ — начала разработанную под руководством Артузова операцию под кодовым названием «Тарантелла». Ее целью являлось продвижение через подставную агентуру ОГПУ направленной информации в британские руководящие круги и штаб-квартиру СИС. По своей значимости «Тарантелла» смело может быть поставлена в один ряд с операциями «Трест» и «Синдикат». О наиболее существенных специальных мероприятиях «Тарантеллы» докладывалось непосредственно Сталину.
1 августа 1931 года Артур Артузов был назначен начальником внешней разведки и введен в состав коллегии ОГПУ. Одновременно он являлся кандидатом в члены ЦК партии.