Se formó en las categorías inferiores del Real Burgos C.F., fue ascendido al primer equipo en 1993, en aquella época el club estaba en Segunda división, ese mismo año el club descendió a Segunda División B de España y posteriormente desaparecería debido a irregularidades financieras.
En 1994 se refunda el Burgos C. F que comenzaría su nueva etapa en la antigua Regional Ordinaria donde Lucio Arnáiz sería una pieza clave para el desarrollo del equipo; años más tarde y tras varios ascensos consecutivos, en 1997 el equipo ascendería a Segunda División B de España tras ganar al C. D. Lealtad en los Play-Off de ascenso.
Consiguieron un importantísimo tercer puesto, aunque posteriormente no conseguirían el ascenso.
La siguiente temporada volvería a quedarse cerca del ascenso quedando terceros y siendo eliminados otra vez en los play-off, Esta temporada Lucio tuvo una menor importancia jugando un total de 22 partidos, 20 de ellos como titular.
En 2011 fue homenajeado en Estadio Municipal de El Plantío y se le entregaría una placa para agradecerle las 13 temporadas en el Burgos C. F, convirtiéndose así en el jugador que más temporadas ha disputado con el club.