Natalie Hemming, 31, från Alderney Avenue, Newton Leys, anmäldes saknad på tisdag.
Mannen, 42, och även från Milton Keynes, greps av Thames Valley-polisen tidigare i samband med utredningen och är häktad.
Polisen sa att Hemmings försvinnande var "okaraktärslöst" och de försöker fortfarande hitta henne.
Det Ch Insp Simon Steel sa att officerare höll ett öppet sinne om omständigheterna kring försvinnandet.
"Vår prioritet är att hitta Natalie och återlämna henne till sin familj så snart som möjligt. Vi vill tala med alla som har någon information om var Natalie kan vara eller någon som har sett henne sedan kl. 15.00 på söndag.
"Om du känner igen någon som passar Natalies beskrivning eller har några detaljer som kan hjälpa till med utredningen, oavsett hur obetydliga du tycker att de kan vara, vänligen kontakta polisen."
Ms Hemming beskrivs som vit, ca 5ft 3in (1,6m) lång, av smal byggnad, har axellängd brunt hår och blå ögon.
Hon sågs senast på söndag klockan 15:00 BST i Hemel Hempstead, Hertfordshire, och hade en blå topp, blå jeans och en kort svart jacka.
En man har gripits misstänkt för mord av polisen för att leta efter en saknad kvinna.