I 1996 blev Lars Arge ph.d. i datalogi fra Aarhus Universitet. Herefter blev han ansat på Duke University i North Carolina, USA, hvor han forskede i datalogi. 

I 2004 rykkede Lars Arge tilbage til det østjyske og blev professor i datalogi på Aarhus Universitet. Den stilling bestred han frem til sin død. Fra 2007 til 2017 var han desuden centerchef for Center for Massive Data Algorithmics (Madalgo) på AU.

Lars Arge blev i 2016 udnævnt som generalsekretær for Videnskabernes Selskab. Han var derudover medstifter og bestyrelsesformand i selskabet Scalable Algorithmics (Scalgo).

Lars Arge modtog flere priser gennem sin forskningskarriere, blandt andet fik han Uddannelses- og Forskningsministeriets EliteForsk-pris i 2010. Han var også udnævnt til ridder af Dannebrog.

Lars Arge udgav flere end 100 forskningsartikler og er blevet citeret mere end 6.500 gange. Han var internationalt anerkendt inden for datalogi og var også tildelt en æresdoktorgrad på Technical University Eindhoven i Holland.