1869（明治2）年3月25日（旧暦）の宮古湾奇襲作戦（甲鉄艦奪取作戦）を司令官として指揮し奮戦した。また、5月11日の新政府軍箱館総攻撃の際に、軍艦回天の艦長として陣頭指揮で箱館港の海戦で奮戦したが敗北して榎本・松平らとともに新政府軍への降伏申し出に臨んだ。

1835（天保6）年、幕府御家人荒井清兵衛の長男として生まれる。昌平坂学問所出身。1867（慶応3）年、軍艦頭を命じられると榎本ら旧幕臣達と行動を共にし江戸を脱出、蝦夷地へ渡った。旧幕府軍による暫定政権では海軍奉行となる。箱館戦争終結後投獄されるが、後に明治政府に出仕した。初代中央気象台長まで勤めた。

昌平坂学問所を経て幕府に出仕し軍艦操練所教授や頭取を務め、軍艦頭を拝命、大政奉還後、榎本武揚らと共に江戸を脱出して蝦夷地に渡り、箱館戦争に従軍した。旧幕府軍の蝦夷島政権で海軍奉行へ就任し、宮古湾の甲鉄艦奪取作戦では司令官として指揮した。1869(明治2)年5月11日の新政府軍箱館総攻撃の際にも、箱館港海戦で奮戦したが敗退し、上陸して五稜郭へ敗走。5月18日に榎本武揚らと降伏した。釈放後は開拓使へ出仕し、1890(明治23)年に初代中央気象台長を務めた。