Arsinoe var femten år da hun ble gift med Lysimakhos. Hun fødte ham tre sønner: Ptolemaios Epigonos, Lysimakhos, og Filip. For å sikre posisjoner for sine sønner for tronen, anklaget hun Lysimakhos' eldste sønn og antatte arving fra et tidligere ekteskap, Agathokles for forræderi. Agathokles var gift med Lysandra, en annen av Ptolemaios I Soters døtre. Halvsøstrene Arsinoe II og Lysandra var bitre fiender. Lysimakhos fikk kastet Agathokles i fengsel, og der ble han senere myrdet av Ptolemaios Keraunos, en halvbror av Arsinoe II og som var en flyktning ved Lysimakhos' hoff.