Родилась в семье российского дипломата, получила хорошее образование, свободно владела несколькими европейскими языками. Служила научным сотрудником в Главархиве МИДа.
В ноябре 1922 года арестована вместе с сестрой Анной и выслана на 3 года в Архангельскую губернию. Там познакомилась с местным служащим Е. А. Гагариным, ставшим её мужем и погибшим впоследствии под колёсами грузовика в Нью-Йорке.Благодаря хлопотам тёти Веры Сергеевны леди Эджертон, жившей в Англии, семье Арсеньевых в 1933 году разрешили выехать за границу. Вера Сергеевна жила с мужем в Кёнигсберге, Берлине, Зальцбурге и Мюнхене. Выезжала в Италию, Францию, Голландию. Через мужа и брата была знакома с писателями-эмигрантами И. А. Буниным, Б. Зайцевым, И. Шмелёвым.Сотрудничала с немецкими газетами, писала очерки о России. Давала частные уроки. Помогала брату Н. С. Арсеньеву в литературной работе.
С 1948 года вместе с мужем и братом в Нью-Йорке. Написала «Воспоминания дочери дипломата» (не опубликованы).