Estudante de Engenharia no Instituto Tecnológico da Aeronáutica (ITA), foi expulso em 1964, em virtude de suas atividades políticas, e levado preso para a Base Aérea do Guarujá. Libertado, retomou os estudos na Faculdade de Filosofia, Letras e Ciências Humanas da Universidade de São Paulo (USP), onde iniciou o curso de Filosofia. Em 1966, foi eleito presidente do Grêmio da Filosofia.
Arantes iniciou sua militância partidária no Partido Comunista Brasileiro (PCB), tornando-se, já em 1967, uma das principais lideranças da Dissidência Comunista de São Paulo (Disp). Boa parte dos integrantes dessa dissidência, a partir de 1969, se uniria ao grupo de luta armada Ação Libertadora Nacional (ALN). Em 1967, tornou-se vice-presidente da União Nacional dos Estudantes (UNE). No ano seguinte, foi preso durante a repressão ao 30º Congresso da entidade, em Ibiúna (SP).
Zé Arantes, como era conhecido, conseguiu fugir de dentro do Dops. Esteve em Cuba, onde realizou treinamento de guerrilha como militante da ALN. Lá, junto com outros companheiros, resolveu criar o Movimento de Libertação Popular (Molipo).
Em novembro de 1971, foi preso em São Paulo por agentes do DOI-Codi, junto com Aylton Adalberto Mortati. Os dois foram os primeiros militantes mortos de um grupo de 28 exilados que participaram de treinamento de guerrilha em Cuba e retornaram clandestinamente ao Brasil como integrantes do Molipo. A morte de Arantes foi divulgada apenas cinco dias depois. A família só foi informada quando ele já estava enterrado como indigente no Cemitério Dom Bosco, em Perus, com o nome falso de José Carlos Pires de Andrade.
Graças à intervenção de um delegado do Dops, Emiliano Cardoso de Mello, parente da família de Arantes, o órgão autorizou o traslado do corpo para o Cemitério Municipal de Araraquara, alguns dias depois. A falsidade da versão oficial só foi comprovada com o exame dos documentos encontrados no Instituto Médico Legal (IML) de São Paulo, bem como da análise da foto do cadáver, localizada nos arquivos secretos do Dops. Na requisição da necropsia, encontra-se: “por volta das 17 horas, manteve tiroteio com membros dos órgãos de segurança, sendo nessa oportunidade ferido, e em consequência veio a falecer”. O corpo, entretanto, só chegou ao IML 24 horas depois do suposto tiroteio no qual fora morto. O laudo registra ainda que a autópsia foi realizada antes de chegar ao IML.
O relator do processo na Comissão Especial de Mortos e Desaparecidos Políticos ponderou que “Arantes já fora preso na Base Aérea de Santos e em Ibiúna, em 1968. Os órgãos repressivos sabiam de suas ligações com a ALN e o Molipo e, no entanto, foi enterrado com nome falso, como indigente. A ocultação do cadáver visava, sem sombra de dúvidas, encobrir as torturas visíveis na foto e a execução com ferimentos não descritos no laudo”.