Som forsker inntok Arne Nygård-Nilssen en sentral plass innen norsk kunsthistorie, og som riksantikvar ledet han kulturminnevernet med en nøktern, klok hånd i en krevende periode etter den annen verdenskrig.
Nygård-Nilssen vokste opp i Bergen, der faren var folkeskolelærer. Etter examen artium ved byens katedralskole 1917 tok han tysk bifag ved universitetet i Kristiania 1921. Året etter begynte han som volontør ved Riksantikvarens kontor og kom der i nær kontakt med riksantikvar Harry Fett og antikvar Anders Bugge. Han overtok snart Bugges arbeid med de norske kirker, og etter hvert ble ansvaret for inventarisering av altertavler, malerier og portretter, avdekking av kalkmalerier, konservering og restaurering hans arbeidsområde. Allerede 1923 kom Norske silhouetter, hvor både hans interesse for portrettet som kunstart og hans elegante, muntert ironiske form kom til syne.
1927 tok Nygård-Nilssen magistergraden på arbeidet Skulpturen i 19. og 20. aarhundrede. I de følgende år fulgte en usedvanlig rik vitenskapelig produksjon som etter hvert reflekterte en dreining fra samtidskunst mot antikvariske emner: Moderne norsk veggmaleri, Dommedag i norsk kirkekunst og Nordens Chicago.
1927 ble Nygård-Nilssen amanuensis hos Riksantikvaren, 1936 ble han antikvar. 1929–46 var han dessuten sekretær i Foreningen til norske Fortidsminnesmerkers Bevaring (Fortidsminneforeningen), og fra 1937 var han redaksjonssekretær i tidsskriftet Kunst og Kultur. 1945 tok han doktorgraden på det ruvende tobindsverk Norsk Jernskulptur om vår dekorative og skulpturalt pregede ovnsindustri gjennom mer enn 300 år. Det var et mønstergyldig kunst- og kulturhistorisk forskningsarbeid som er grunnleggende den dag i dag og kom i faksimileutgave 1998.
I årene frem til 1945 utfoldet han sitt forskertalent og utvidet sitt erfaringsområde – supplert med studiereiser til de fleste europeiske land – på en måte som gjorde ham til en sentral skikkelse i norsk kunstforskning. Som forsker er hans kritiske og analyserende holdning et vesentlig element; formen er skarpslepen og den elegante undertone aldri langt borte. Det er ikke alltid like lett å forestille seg at denne intelligente og nøkterne peronlighet hadde en humor båret av vidd og en viss bergensk malise.
Arne Nygård-Nilssen var den selvskrevne riksantikvar da Harry Fett gikk av 1946. Allerede før krigen hadde han og Fett tatt opp kampen for bevaring av Bryggen i Bergen og Basarene i Oslo. Men nå meldte problemene seg – gjenoppbyggingens fremtidsrettede og praktiske målsetting gav ikke alltid rom for tilbakeskuende og bevarende virke. “Vi må ha mot til å se våre fortidsminner forfalle,” som en statsåd sa i Stortinget.
Blant de mange store oppgaver som lå foran den nye riksantikvar, var gjenoppbyggingen av Håkonshallen på Bergenhus, dernest fornyelsen og fullføringen av restaureringen på Akershus Slott. Her var hans innsiktsfulle vurdering av avgjørende betydning, selv om han dessverre ikke opplevde å se disse arbeidene fullført.
Med sin lange erfaring engasjerte Nygård-Nilssen seg i den fornyede lovgiving som gav Riksantikvaren større ansvar og større styringmulighet – særlig når det gjaldt utgravninger fra middelalderen. Menighetenes ansvar for kirker og kirkeinventar ble innskjerpet, og inventariseringen ble faglig etablert gjennom opprettelsen av institusjonen Norges Kirker med vitenskapelig personell. Brannen på Bryggen i Bergen 1955 ble en faglig og administrativ utfordring; likeledes utgravningene på Utstein og i Borgund og ved bispegårdene i Hamar og Trondheim. Alle de 2000 fredede hus krevde sitt, ikke minst på Røros. Det var et stort ansvar, men han var en dyktig administrator med krav til nøyaktighet og stringens; formen var vennlig, men knapp og klar.
Samtidig fortsatte Nygård-Nilssen sitt publiserende virke som redaktør av den vitenskapelige serie Norske Minnesmerker og som redaktør av Kunst og Kultur og av Fortidsminneforeningens Årbok. Han fortsatte arbeidet med Den ikonografiske kommisjon, som fra 1934 var lagt under Riksantikvaren – fra 1946 Norsk Portrettarkiv. En særlig interesse var hans kjærlighet til boken selv. Han satt i styret for Foreningen for norsk bokkunst fra 1936 og ble formann 1948.
Det var ikke lett å ta over riksantikvarembetet etter den initiativrike og utadvendte Harry Fett, som representerte gründerperioden. Etter den trengtes nettopp både konsolidering og kontinuitet. Det var her Arne Nygård-Nilssens evner ble satt på prøve, og de store krav ble innfridd. Det ruvende verk Norsk kunstforskning i det tyvende århundre var en hyllest til forgjengeren Harry Fetts 70-årsdag. Det er i sin vitenskapelige bredde og gehalt en fornem gest som også forteller mye om den som skapte verket og bar det frem.
Arne Nygård-Nilssen var medlem av Det Norske Videnskaps-Akademi fra 1945 og æresdoktor ved universitetet i Helsingfors.