En cadetes, logró buenos resultados, incluyendo un tercer lugar en el campeonato de Francia en esta categoría en 2007.

[4]​ En 2009, ganó en solitario el Signal d'Écouves, un evento nacional juvenil, participó en un curso selectivo en Alençon.

Unos días después, Démare ganó su primera victoria en una carrera UCI Europe Tour en el Gran Premio de Pérenchies.

Al final de la temporada 2010, fue seleccionado por Bernard Bourreau para competir en el Campeonato Mundial en Ruta sub-23 en Melbourne, Australia, donde terminó quinto en la carrera en línea.

Su inicio de la temporada 2011 estuvo marcado por varias victorias el calendario amateur francés.

En 2012, en su primera carrera profesional, ganó al sprint la sexta etapa del Tour de Catar, idealmente lanzado por Mickaël Delage.

En su siguiente carrera, los Tres Días de Flandes Occidental, Démare, dominado por Francesco Chicchi en el sprint final de la primera etapa, ganó la segunda etapa, por delante del ruso Alexander Porsev del equipo Katusha.

Luego ganó su primera victoria en Francia como profesional, en el Gran Premio Cholet-Pays de Loire.

Preinscrito para la París-Roubaix en el equipo FDJ-BigMat, Démare no pudo participar debido a un dolor en una muñeca.

Tres semanas más tarde, el 19 de agosto, ganó su primera clásica del UCI World Tour en la Vattenfall Cyclassics frente a André Greipel.

Con solo 20 años en esta victoria, se convirtió en el vencedor más joven en la historia de la clásica alemana.

Arnaud Démare comenzó su temporada en enero en Australia, donde terminó segundo detrás de André Greipel en la primera etapa del Tour Down Under.

Después de Tirreno-Adriático, Démare avanzó hacia su debut en Milán-San Remo (129.º) y las clásicas flamencas.

John Degenkolb lo derrotó en el spinrt final y terminó por delante de Peter Sagan.

En la defensa del primer puesto durante las etapas montañosas, logró mantener el liderato de la carrera y el maillot rosa contra sus oponentes, principalmente Sylvain Chavanel, segundo, para ganar la clasificación final en Dunkerque por segundo año consecutivo.

Se unió a Jacques Anquetil y Freddy Maertens en ser los únicos que habían logrado previamente este encadenado de victorias.

La semana siguiente, ganó dos etapas al sprint y la clasificación general del Tour de Picardie.

Durante el Tour de Francia, obtuvo su mejor resultado con un tercer lugar en dos etapas.

Démare obtuvo como el mejor resultado, sólo un quinto lugar en la etapa final en los Campos Elíseos.

Démare fue seleccionado por Francia para la carrera en línea del Campeonato Mundial de Richmond, Estados Unidos.

Fue uno de los líderes franceses con el otro velocista Nacer Bouhanni, así como los puncheurs Julian Alaphilippe y Tony Gallopin.

En París-Niza, la primera etapa estuvo marcada por cotas y un ataque de Julian Alaphilippe en la última dificultad del día.

En un final desdibujado por las caídas que condujeron al abandono del corredor Mark Cavendish y la exclusión de Peter Sagan de la carrera, Démare adelantó a Alexander Kristoff y se puso, por primera vez en su carrera, el jersey verde, un jersey distintivo que esperaba ganar en París.

En septiembre, terminó segundo en el Gran Premio de Fourmies detrás del velocista alemán Pascal Ackermann.

Ganó frente a Elia Viviani y Caleb Ewan, aprovechando una caída que desorganizó completamente al pelotón unos metros antes del final.

Principalmente corre sus carreras con compañeros de equipo dedicados a preparar las llegadas como Mickaël Delage.