В 1855-1857 годах училась пению у М. Одран и Полины Виардо-Гарсиа. В 1858 году дебютировала на оперной сцене Парижа. Выступала в концертах и в опере во многих странах мира, в том числе и в России (с 1868). Лучшие партии Арто: Фидес («Пророк» Мейербера), Розина («Севильский цирюльник» Россини), Джильда («Риголетто» Верди), донна Анна («Дон Жуан» Моцарта). Исполняла также партии драматического и колоратурного сопрано (Виолетта, Маргарита). Ее исполнительское искусство ценили Джакомо Мейербер, Гектор Берлиоз, П. И. Чайковский, который посвятил 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 гг. 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.