3 липня 1390 він разом з митрополитом Кипріаном прибув до Твері, де на прохання Тверського князя Михаїла Олександровича відбувся Собор руських і грецьких ієрархів для суду над Тверським єпископом Євфімієм. Князь і єпископ були в багаторічній сварці, багато тверичів представляли на єпископа тяжкі звинувачення. Після безуспішних спроб встановити в Твері церковний мир, митрополит Кипріан “відставив від єпископства” Євфимія і відправив його до Москви, в Чудів монастир. На Тверську кафедру був призначений святий Арсеній. Але той “бояся владичество прияти во Твері, виде бо там вражду і брань многу, і смутися і ужасеся”. Після повернення митрополита Кипріана та архідиякона Арсенія до Москви дружелюбний князь прислав своїх бояр з чолобитною до митрополита про висвячення на Тверську кафедру Арсенія. Арсеній і на цей раз не погоджувався. За словами літописця, в 1390 році “єдва умоліша архідиякона Арсенія митрополита бити у Твері”. Під загрозою соборної заборони митрополит і князь нарешті отримали його згоду на хіротонію, яка відбулася 15 серпня 1390. Серед єпископів, які брали участь у рукоположенні його, був святитель Стефан, єпископ Пермський (пам’ять 26 квітня).
Вступивши на кафедру, єпископ Арсеній, як великий молитовник і миротворець, зміг припинити розбрат в Тверському князівстві. У його єпископство, з 1390 по 1409, були побудовані і освячені собори на честь Архангела Михаїла в Стариці і Микулині, оновлено Спасо-Преображенський кафедральний собор, закладена соборна дзвіниця. Святитель заснував на річці Тьмаці, поблизу Твері, Желтіков монастир, де, за подобою Києво-Печерського монастиря була побудована церква в ім’я преподобних Антонія і Феодосія Печерських (1394) і кам’яний Успенський собор (1406).
Бажаючи, щоб ченці нової обителі завжди спирались на подвиги Печерських батьків, святитель Арсеній наказав в 1406 році зробити з Києво-Печерського Патерика список, який представляє найдавнішу з дійшовших до нашого часу редакцію цього дорогоцінного пам’ятника російській писемності, що отримала назву Арсеньевскої.
Спочив Святитель у 1409 році, 2 березня, і був похований у створеному ним Желтіковому монастирі Успіння Пресвятої Богородиці. В 1483 році мощі його були знайдені нетлінними і поставлені у монастирському соборі. У тому ж році ієромонахом Феодосієм написано житіє і канон Святителю. На Соборі 1547 відбулося загальноцерковне прославлення святителя Арсенія.
