В Никоновской же летописи и исторических сборниках (архив Тверской области) поставление Арсения на Тверскую кафедру излагается иначе: в июле Киприан, низложив Евфимия, «даде» великому князю Михаилу Александровичу Арсения, «мужа дивна, и нарочита, и добродетелна суща», однако Арсений, испугавшись вражды и несогласия, которые он увидел в Твери, не будучи хиротонисан во епископа, уехал вместе с митрополитом Киприаном и Евфимием в Москву. Князь Михаил Александрович вновь просил Киприана о поставлении Арсения, и митрополит вторично поехал с Арсением в Тверь в сопровождении тех же архиереев, к которым присоединились епископ Звенигородский Даниил и епископ Рязанский Иеремия. Согласно Никоновской летописи, Арсений был хиротонисан на Тверскую кафедру 15 августа 1390 г. Пространное Житие, не рассказывая о двух приездах Арсения в Тверь, тем не менее, сообщает, что первоначально он «не восхоте и отнюд» принять епископскую кафедру, «недостоина себе нарицая таковаго начинания смирения ради». Возглавив Тверскую епархию, святитель приложил много усилий для устроения церковной жизни и прекращения междоусобных раздоров в княжестве. В 1390–1391 гг. был обновлён Спасо-Преображенский кафедральный собор в Твери, в 1393–1394 гг. Арсений основал Жёлтиков монастырь на реке Тьмаке с тёплой церковью во имя преподобных Антония и Феодосия Киево-Печерских, в 1404 г. в монастыре была заложена, в 1406 г. освящена каменная церковь в честь Успения Богородицы – четырёхстолпный трёхапсидный храм с двумя приделами; в 1398 г. освящена церковь во имя архангела Михаила в Городце, в 1403 г. там же освящена церковь во имя святителя Николая. В 1399 г. Арсений встретил и поместил в Спасо-Преображенском соборе икону Страшного Суда, присланную Константинопольским патриархом, спустя некоторое время совершил монашеский постриг тяжелобольного князя Михаила Александровича и вскоре отпел почившего князя. Годы святительства Арсения были временем расцвета тверской иконописи и тверского книгописания, в частности, в Твери была переписана Лествица со списка, составленного Киприаном во время пребывания его в Константинополе. По инициативе Арсения в 1406 г. была создана древнейшая из дошедших до нас редакция Киево-Печерского патерика, которому святитель постарался придать общерусское звучание. При нём в Тверских землях оживилось летописание, следы которого сохранились в Рогожском летописце, Никоновской и других летописях. Несколько раз митрополит Киприан вызывал Арсения в Москву: в 1396 г. – на поставление Ростовского архиепископа Григория Премудрого, в 1401 г. – на Собор по делу Новгородского архиепископа Иоанна и Луцкого епископа Саввы, в декабре 1403 г. – по неизвестному поводу. О преставлении святителя сохранился подробный рассказ в Новгородской IV и Никоновской летописях и в «Летописи Авраамки» (автором его, по-видимому, был один из близких к святителю клириков). Рассказ Жития о преставлении святого отличается от летописного и содержит ошибки, в частности, в сообщении, что в погребении Арсения участвовал князь Михаил Александрович (ум. в 1399 г.), – святого хоронил сын Михаила Александровича Иван Михайлович. Арсений погребён рядом с Успенским собором в Жёлтиковом монастыре.