König Ludwig der Deutsche schenkte 868 den Herrenhof Arenberg dem Frauenstift Herford. Dieses war die erste urkundliche Erwähnung von Arenberg. Der Hof hieß Ober am Berg (im Gegensatz zum tiefer im Hang gelegenen Nieder am Berg - heute Niederberg). Die Verantwortung für die Bewirtschaftung übertrug das Kloster einem Maier, dieser musste auch die Pacht in Naturalien abführen.

Die Abkömmlinge des Maiers Wilhelm von Helfenstein, der dieses Amt 1230 übernahm, erbauten Ende des 13. Jahrhunderts das Wasserschloss Molenbach (auch Müllenbach oder Mühlenbach genannt). Es wurde im Dreißigjährigen Krieg weitgehend zerstört, das Hofgut blieb aber bis ins 19. Jahrhundert im Besitz der Familie und ihrer Seitenlinien. Die Familie unterhielt eine autonome Gerichtsbarkeit. Nach dem Wiener Kongress 1815 wurde das Land preußisch, 1825 die Besitzungen aufgeteilt und versteigert. Vom Schloss steht nur noch ein Turm.

Im Jahre 1630 wird erstmals die Pferdeausspannstation Roter Hahn mit einem zugehörigen Gasthaus erwähnt. Nach ihr nannte man den ganzen Ort meist Roter Hahn. Diese Poststation lag auf der Postverbindung vom Rhein über Ehrenbreitstein zur Lahn, die erst ab dem 19. Jahrhundert ihre Bedeutung verlor, als entlang der Lahn eine durchgehende Straße entstand. Der Kurfürst von Kurtrier baute 1789 die Straße von Koblenz über Arenberg und Montabaur nach Limburg an der Lahn weiter aus.

In den Jahren der französischen Belagerung der Festung Ehrenbreitstein 1795 bis 1799 hatte ein französischer General in Arenberg sein Quartier. In dieser Zeit wurde der Weinbau, der vorher in den Lagen Eselsbach und Hangarsberg dokumentiert war, zerstört und nach dem Wiener Kongress auch nicht revitalisiert.

Im 19. Jahrhundert verlieh Pfarrer Johann Baptist Kraus Arenberg eine neue Identität als Wallfahrtsort. Die restaurierten Anlagen prägen auch heute wieder die kulturhistorische Bedeutung des Stadtteils, obwohl der ursprünglich von Pfarrer Kraus beabsichtigte Zweck verloren ging.

1968 feierte Arenberg sein 1100 jähriges Bestehen. Am 7. Juni 1969 bildete Arenberg zusammen mit dem Nachbarort Immendorf die Gemeinde Arenberg-Immendorf . Am 7. November 1970 erfolgte die Auflösung dieser Gemeinde und Arenberg wurde ein Stadtteil von Koblenz.

Seit 2002 ist der Wallfahrtsort mit einer europaweit einzigartigen Landschafts-bilderbibel Teil des UNESCO-Welterbe Oberes Mittelrheintal.