VÍDEO | Daniil Medvedev remonta y se mete en octavos de Shanghai
Medvedev rompió pronto en el primer set, pero Arnaldi, número 36 del mundo, mantuvo la calma y recuperó la ventaja en el sexto juego tras un error no forzado del ruso.
Arnaldi volvió a romper en el duodécimo juego después de que Medvedev golpeara largo.
La presión de Arnaldi en el segundo set ensombreció el ánimo del ruso, que fue sancionado con dos infracciones y un punto de penalización tras discutir con el árbitro.
El exnúmero uno del mundo se recuperó para llevar el partido a un set decisivo, que ganó tras 2 horas y 44 minutos.
"Esperaba que jugara de otra manera, ha jugado muy bien", dijo Medvedev sobre Arnaldi.
"Para ser sincero, en el primer set debería haberlo hecho mejor. El segundo y el tercero estuvieron aún más reñidos... pero al final estoy contento de ganar".
Sólo se pudo jugar bajo el techo de la pista principal, ya que la lluvia obligó a aplazar los partidos en las pistas exteriores por segundo día consecutivo.