Schwarzenegger có ý định chuyển từ thể hình sang điện ảnh. Ông thực hiện điều này khi được chọn vào vai Hercules trong bộ phim Hercules ở New York năm 1970. Được đặt tên là "Arnold Strong", giọng ông trong phim nặng tới nỗi vai diễn phải được lồng tiếng lại trong phần hậu kỳ.[12] Sau đó, ông tiếp tục xuất hiện trên màn ảnh với vai diễn một người bị câm và điếc trong một bộ phim của đạo diễn Robert Altman The Long Goodbye (1973), và trong một vai diễn quan trọng hơn của bộ phim Stay Hungry (1976). Ông đã được trao giải Quả cầu vàng với đề mục Ngôi sao mới của năm cho vai diễn này. Schwarzenegger chia sẻ những khó khăn ban đầu trong sự nghiệp điện ảnh của mình: "Khởi đầu rất khó khăn với tôi – người quản lý và các đồng nghiệp cho rằng tôi 'quá kỳ lạ', rằng tôi có trọng âm nghe thật buồn cười và dài lê thê. Họ bảo tôi phải thay đổi. Nói chung, ở mọi nơi tôi tới, tôi đều được bảo rằng tôi chẳng có chút cơ hội nào."[6]

Schwarzenegger bắt đầu được chú ý và nổi danh nhờ vai diễn trong bộ phim về thể hình Pumping Iron (1977)[12][32].[33] Sau đó ông thử vai trong serie phim The Incredible Hulk, nhưng không được chọn vì chiều cao không đủ. Schwarzenegger xuất hiện cùng Kirk Douglas và Ann-Margret trong bộ phim hài năm 1979, The Villain. Năm 1980, ông diễn xuất trong một bộ phim tiểu sử về nữ diễn viên của thập niên 1950 Jayne Mansfield trong vai chồng của Mansfield, Mickey Hargitay.

Bộ phim mang tính đột phá của Schwarzenegger là bộ phim sử thi Conan the Barbarian, quay năm 1982 khi đoạt doanh thu kỷ lục.[11]. Tuy nhiên phần tiếp theo hai năm sau, Conan the Destroyer, lại đạt doanh thu không như mong đợi.[34] Năm 1983, Schwarzenegger tham gia một đoạn video quảng cáo "Carnival in Rio".

Năm 1984, Schwarzenegger xuất hiện trong bộ phim rùng rợn, khoa học viễn tưởng The Terminator, làm nên tên tuổi của ông và đạo diễn James Cameron,.[11][12][35] Sau The Terminator, Schwarzenegger đóng phim Red Sonja năm 1985, sau đó thì "chìm nghỉm không dấu vết."[34]

Trong thập niên 1980, khán giả rất ưa chuộng các bộ phim thuộc thể loại hành động cơ bắp. Nhờ đó, Schwarzenegger cùng với Sylvester Stallone đã trở thành các ngôi sao tầm cỡ thế giới.[12] Các vai diễn của Schwarzenegger phản ánh vẻ quái đản của ông, hơi hài hước (một số lúc là các trò chơi chữ xấu nổi tiếng), khiến ông khác biệt hẳn so với các vai anh hùng nghiêm túc khác. Trong bộ phim hài/ly kỳ Last Action Hero có một áp phích của phim Terminator 2: Judgment Day, trong một vũ trụ giả tưởng khác, Sylvester Stallone thủ vai Kẻ hủy diệt.

Sau khi trở thành siêu sao Hollywood, ông tiếp tục xuất hiện trong các bộ phim thành công khác: Commando (1985), Raw Deal (1986), The Running Man (1987), và Red Heat (1988). Trong bộ phim Predator (1987), một phim thành công khác nữa, Schwarzenegger đóng chung với Thống đốc tương lai của tiểu bang Minnesota Jesse Ventura (Ventura cũng xuất hiện trong The Running Man và Batman & Robin với Schwarzenegger) và ứng cử viên Thống đốc bang Kentucky Sonny Landham.

Twins (1988), một bộ phim hài với Danny DeVito, là một sự thay đổi, và cũng mang lại thành công. Total Recall (1990) mang lại cho Schwarzenegger khoản thù lao 10 triệu đôla (15% doanh thu), và được quảng cáo rộng rãi, biên kịch khoa học giả tưởng do Paul Verhoeven đạo diễn dựa trên truyện ngắn của Philip K. Dick, "We Can Remember It for You Wholesale". Trong phim Kindergarten Cop (1990) ông gặp lại đạo diễn Ivan Reitman, người chỉ đạo phim Twins.

Schwarzenegger đã có thời gian làm đạo diễn, lần đầu với tập phim năm 1990 của loạt phim truyền hình Tales from the Crypt, với tiêu đề "The Switch," và sau đó với bộ phim truyền hình năm 1992 Christmas in Connecticut. Từ đó ông thôi hẳn nghiệp đạo diễn.

Thành công thương mại lớn nhất của Schwarzenegger là khi ông quay lại với vai diễn chính trong bộ phim năm 1991 Terminator 2: Judgment Day, bộ phim nổi nhất năm 1991. Năm 1993, National Association of Theatre Owners tặng ông danh hiệu "International Star of the Decade."[5] Bộ phim tiếp theo của ông, phim hành động Last Action Hero năm 1993 được cho ra mắt cùng thời với Jurassic Park. Phim sau đó, True Lies (1994) phim hành động hài được đánh giá là bộ phim về điệp viên được nhiều người ưa thích, và chứng kiện sự tái hợp của Schwarzenegger với đạo diễn phim The Terminator James Cameron.

Một thời gian ngắn sau đó là bộ phim hài Junior (1994), lần cộng tác thứ ba và cuối cùng của ông với Ivan Reitman và lại cùng đóng cặp với Danny DeVito. Bộ phim này mang lại cho Schwarzenegger đề cử giải Golden Globe thứ hai, lần này cho giải Best Actor – Musical or Comedy. Tiếp đó là bộ phim hành động ly kỳ Eraser (1996) và bộ phim dựa trên truyện tranh Batman & Robin (1997), ông đóng vai Mr. Freeze hung ác. Đây là phim cuối cùng trước khi ông nghỉ hồi phục thương tích ở lưng. Sau sự thất bại của Batman & Robin, sự nghiệp điện ảnh của Schwarzenegger bắt đầu giảm sút.

Nhiều dự án phim đã được công bố với dự định mời Schwarzenegger đóng vai chính, gồm bộ phim làm lại Planet of the Apes, một phiên bản phim mới của I Am Legend, và một bộ phim về Thế chiến II do Quentin Tarantino viết kịch bản và Schwarzenegger sẽ đóng vai một người Áo.

Thay vào đó, ông đã quay lại sau một thời gian ngắt quãng với bộ phim ly kỳ siêu thực 'End of Days' (1999), sau đó là những bộ phim hành động The 6th Day (2000) và Collateral Damage (2002) tất cả chúng đều không thành công lắm về doanh thu. Năm 2003, lần thứ ba ông xuất hiện trong loạt phim Terminator 3: Rise of the Machines, với doanh thu hơn $150 triệu chỉ riêng ở Hoa Kỳ.

Để tỏ lòng kính trọng với Schwarzenegger, năm 2002 Forum Stadtpark, một hiệp hội văn hoá địa phương, đã đề xuất những kế hoạch xây dựng một bức tượng Kẻ huỷ diệt cao 25-mét (82-foot) ở công viên trung tâm Graz. Schwarzenegger theo như tin đưa đã nói rằng mình rất tự hào, nhưng cho rằng tốt hơn nên chi số tiền đó vào các dự án xã hội và Special Olympics.[36]

Những lần xuất hiện cuối cùng trong phim của ông gồm ba giây xuất hiện trong The Rundown (còn gọi là, Welcome to the Jungle) với The Rock, và bộ phim làm lại năm 2004 của Around the World in 80 Days, trong đó ông lần đầu tiên đóng cặp cùng Jackie Chan.

Schwarzenegger lồng tiếng nhân vật Baron von Steuben trong Episode 24 ("Valley Forge") của Liberty's Kids. Năm 2005 ông tự đóng mình trong The Kid & I.

Schwarzenegger đã xuất hiện trong bộ phim Terminator Salvation với vai người máy T-800 nguyên bản, theo đó gương mặt ông được ghép với thân hình của Roland Kickinger. Ban đầu, Schwarzenegger đã bác bỏ tin này.[37]