La Sterne arctique a une répartition circumpolaire mondiale. Son aire de répartition est estimée à environ 10 millions de kilomètres carrés. Durant l’été de l'hémisphère nord, on la retrouve dans les zones côtières des zones les plus fraîches des régions tempérées de l'Amérique du Nord et de l’Eurasie. Sur son aire d’hivernage pendant l’été de l'hémisphère Sud, elle fréquente la haute mer et se rend jusqu’aux glaces de l’Antarctique.
La Sterne arctique est célèbre pour sa migration ; elle fait l’aller-retour à partir de son aire de reproduction en Arctique jusqu’en Afrique Australe, en Australie ou en Antarctique chaque année. Chaque trajet dure quatre mois environ. Annuellement, les oiseaux parcourent en tout 38 000 km, ce qui leur permet d’être soumis à deux saisons estivales par année et à davantage de lumière que toute autre créature sur la planète. Au cours de sa vie, un individu moyen parcourra environ 800 000 km, une distance équivalente à un aller-retour sur la lune. La Sterne arctique est donc, avec le Puffin fuligineux, l'oiseau qui réalise la plus longue migration au monde.
Un exemple de l'habileté remarquable de vol sur longues distances de cette espèce est celui d’un oisillon encore au nid, bagué aux îles Farne dans le comté de Northumberland en Grande-Bretagne lors de l’été 1982, qui atteignit Melbourne en Australie en octobre 1982, ce qui représente un voyage en mer de plus de 22 000 km, seulement trois mois après le premier envol. Un autre exemple concerne celui d’un oisillon bagué au Labrador (Canada) le 23 juillet 1928, qui a été retrouvé en Afrique du Sud quatre mois plus tard.
Dans certaines régions, les Sternes arctiques migrent habituellement au-dessus des mers, loin des zones côtières, ce qui leur permet de se nourrir tout au long du voyage avec les poissons qu'elles pêchent. En conséquence, elles sont rarement observées depuis la terre ferme en dehors de la saison de reproduction. Dans d'autres secteurs, elles sont beaucoup plus côtières. En Scandinavie et en Grande-Bretagne, elles passent même au-dessus des terres, évitant ainsi de longs parcours en suivant les côtes. Les nicheurs de la mer de Béring et ceux de Sibérie orientale migrent en suivant les côtes de l'Amérique du Nord et du Sud. Ceux, plus nombreux, du Canada et du Groenland traversent l'Atlantique entre l'Irlande et la France, suivent les côtes occidentales de l'Afrique jusqu'au Cap de Bonne-Espérance avant de gagner l'Antarctique par des voies plus pélagiques.
Plus varié que celui de la Sterne pierregarin, le régime alimentaire des Sternes arctiques varie selon l’endroit et la saison mais est essentiellement piscivore. Dans la plupart des cas, les sternes se nourrissent de petits poissons ou de crustacés marins. Les poissons constituent la plus grande part du régime de la Sterne arctique, et la biomasse des poissons consommés est supérieure à celle des autres types de nourriture. Les proies sont des individus immatures (un ou deux ans) d’espèces vivant en bancs comme les harengs, les morues, les lançons et les capelans. Parmi les crustacés marins consommés, on retrouve les amphipodes, les crabes (comme le crabe vert), la crevette grise et le krill. Les Sternes arctiques consomment parfois des mollusques, des vers marins et, dans les régions de nidification plus nordiques, des baies et des insectes.
Les Sternes arctiques pêchent en plongeant en piqué sur leurs proies, d'une hauteur de 10 à 15 mètres généralement, s'immergeant souvent entièrement lors de cette opération. Cette technique aboutit environ une fois sur trois ; en cas d'échec, les sternes n'insistent pas et ne poursuivent pas la proie sous l'eau. Elles passent aussi parfois au ras de la surface de l’eau pour capturer leur proie au passage. Il leur arrive également de chasser des insectes en vol pendant la saison de reproduction. Il semble que les Sternes arctiques, malgré leur petite taille, puissent occasionnellement utiliser le cleptoparasitisme en effectuant des piqués vers d’autres oiseaux qui, sous l’effet de la surprise, laissent alors tomber leur proie. Plusieurs espèces peuvent être visées par ce comportement : des individus de la même espèce, d’autres espèces de sternes (comme la Sterne pierregarin), des pingouins ou des grèbes.
Cette espèce possède de nombreux cris. Les deux plus communs sont le « cri d’alarme » utilisé lorsque des prédateurs potentiels (comme les humains ou d’autres mammifères) entrent dans les colonies, et le « cri signalisateur ». Le cri signalisateur est de nature sociale, utilisé lorsque les individus retournent à la colonie et lors de contacts agressifs entre les individus. Chaque Sterne arctique possède un cri signalisateur personnel, ce qui permet d’identifier les individus et confère à ces cris un rôle semblable à celui du chant des passereaux. Huit autres types de cris ont été décrits, du piaillement des femelles pour réclamer de la nourriture lors de la parade nuptiale aux « cris d’attaque » utilisés lors des vols en piqué sur les intrus. Le cri de la Sterne arctique est plus nasal et râpeux que celui de la Sterne pierregarin et est facilement discernable de celui de la Sterne de Dougall.
Lors de la saison de nidification, la Sterne arctique niche rarement isolée, préférant se réunir en colonies ou en groupes dispersés. Lorsque l'espace manque, comme par exemple sur les îles en mer, les colonies comptent parfois jusqu'à plusieurs centaines de couples ; dans la toundra, les groupes sont beaucoup moins denses et comptent moins de couples. Ces tendances grégaires demeurent lors des migrations ou de la pêche, souvent réalisées en groupes.
Lors de la saison de nidification, la Sterne arctique forme souvent des colonies mixtes avec la Sterne pierregarin ou la Sterne caugek pour les populations qui nichent près de l'océan Atlantique, et avec la Sterne des Aléoutiennes pour celles qui nichent près de l'océan Pacifique.
C’est l’une des espèces de sternes les plus agressives, défendant avec acharnement son nid et ses oisillons. Les parents attaquent les humains et les grands prédateurs, généralement en donnant des coups sur le dessus ou l’arrière de la tête. Bien que la Sterne arctique soit trop petite pour causer des blessures graves, elle est tout de même capable de faire saigner ses victimes. D’autres espèces d’oiseaux, qui nichent à proximité des Sternes arctiques, tirent bénéfice de cette défense des colonies.
Lors de la nidification, les Sternes arctiques sont sensibles à la prédation par les chats, les renards, les ratons-laveurs, les mustélidés, les rats, les goélands et autres oiseaux de mer, qui menacent les œufs et les poussins. En plus d’être en compétition avec la Sterne arctique pour les sites de nidification, le Goéland argenté, plus gros, vole les œufs et attaque les oisillons. L’utilisation de sites de nidification isolés permet de réduire la prédation, tout comme la coloration des œufs qui offre à ces derniers un camouflage naturel.
Les labbes, les goélands et d’autres espèces de sternes vont souvent harceler les Sternes arctiques pour leur voler leur nourriture ; mais la Sterne arctique est elle aussi capable de cleptoparasitisme.
Pendant l'hivernage dans les mers de l'hémisphère Sud, les Sternes arctiques suivent souvent de grands cétacés qui rabattent les proies vers la surface, comme par exemple Balaenoptera bonaerensis (Baleine de Minke).
La reproduction s’effectue entre mai et juin. Elle se déroule au sein de colonies localisées sur les côtes maritimes, les îles et parfois dans la toundra près de plans d’eau à l’intérieur des terres. La distance entre les nids est plus élevée que chez la Sterne pierregarin : 10 à 20 mètres au Spitzberg ; cependant, elle peut être beaucoup plus modeste quand la place manque (30 à 50 cm).
Les Sternes arctiques s’apparient pour la vie et dans la plupart des cas, retournent à la même colonie année après année. Les individus commencent à se reproduire entre trois et cinq ans, mais le plus souvent à quatre ans. La parade nuptiale est élaborée, surtout chez les individus nichant pour la première fois. La parade commence avec un « vol à haute altitude », où la femelle poursuit le mâle jusqu’à une altitude élevée pour ensuite redescendre lentement. Cette démonstration est suivie de « vols du poisson » au cours desquels le mâle offre des poissons à la femelle. Au sol, la parade consiste à se déplacer en se pavanant, la queue levée et les ailes baissées. Généralement, les deux individus s’envolent ensuite et réalisent des cercles l’un autour de l’autre.
Mâle et femelle choisissent et défendent ensemble le site de nidification. Pendant le processus de sélection du nid, le mâle continue à nourrir la femelle. L’accouplement a lieu peu après. La construction du nid consiste à gratter le sol afin de former une simple dépression qui est laissée nue ou parfois recouverte avec des brins d’herbe ou d’autres matériaux semblables. La femelle pond de un à trois œufs (généralement deux). Les œufs gris, blancs, brunâtres, beiges ou verdâtres sont naturellement tachetés de brun (davantage que ceux de la Sterne pierregarin), ce qui leur sert de camouflage. Leur taille moyenne est de 40 x 29 mm (valeurs extrêmes : 35,4-47 x 27,2-33,1 mm) pour une masse fraîche (avant incubation) d'environ 19 g. L'incubation est assurée par le mâle et la femelle. Cette dernière assure la plus grande part dans la journée et couve aussi la nuit. Les jeunes (indiscernables de ceux de la Sterne pierregarin) éclosent de 22 à 27 jours après la ponte et quittent le nid de 21 à 24 jours après l’éclosion. Si les parents sont dérangés et donc quittent le nid fréquemment, la période d’incubation peut s'étendre jusqu’à 34 jours.
À l’éclosion, les oisillons qui pèsent une dizaine de grammes sont couverts de duvet. Ni nidicoles, ni nidifuges, les oisillons commencent à se déplacer et à explorer de un à trois jours après l’éclosion. Habituellement, ils restent à proximité du nid. Les oisillons sont couvés par les adultes lors des dix jours suivant l’éclosion. Les deux parents s’occupent des juvéniles. Le régime alimentaire des oisillons inclut toujours des poissons (51,8 % en Allemagne pour 41,6 % de crustacés et 6,5 % d'annélides polychètes) et les parents apportent aux juvéniles des proies plus grandes que celles qu’ils se réservent pour eux-mêmes. Les mâles rapportent plus de nourriture que les femelles. Les parents nourrissent les juvéniles pendant environ un mois, avant de commencer à lentement les sevrer. Après l’envol initial, les juvéniles apprennent à se nourrir par eux-mêmes, et leur apprentissage comprend entre autres la technique difficile du plongeon en piqué. Ils s’envoleront vers le sud pour hiverner, en compagnie de leurs parents.
Les Sternes arctiques vivent longtemps et passent du temps à élever un faible nombre d’oisillons ; elles utilisent donc une stratégie K. Elles vivent généralement une vingtaine d'années (27 à 29 ans sont des âges souvent constatés en Allemagne), mais le record de longévité chez cette espèce est de 34 ans (la reproduction est encore possible à cet âge). Une étude aux îles Farne a permis une estimation du taux annuel de survie à 82 %.