Cando tiña catro anos a súa familia trasladouse a Zaragoza, onde aos 12 anos ingresou nas categorías inferiores do Real Zaragoza, militando ata a tempada 2001-02, ano en que recalou nas categorías inferiores do Real Madrid. Xogou no Real Madrid Castilla, chegando a ser capitán do equipo que logrou o ascenso á Segunda División, a par de promesas como: Granero, Ruben de la Red, Roberto Soldado, Álvaro Negredo ou Mata. O que o levou a xogar dous partidos oficiais co primeiro equipo, ata o verán de 2006, momento no que foi contratado polo Deportivo da Coruña, que pagou 1,3 millóns de euros. Tan só estivo media tempada no Deportivo, chegando a xogar 20 partidos antes da súa fichaxe polo Liverpool.
Logo de disputar a Copa Confederacións en xuño de 2009, e tras semanas cheas de rumores, o 29 de xullo confirmouse a fichaxe de Arbeloa polo Real Madrid por cinco tempadas, regresando así ao club no que se formou como futbolista.[2] A operación pechouse nunha cantidade ao redor dos 4 millóns de euros.[3] Habitualmente xoga de lateral esquerdo debido ás carencias defensivas que ten o equipo por esa banda. O 13 de febreiro marca o seu primeiro gol coa camiseta do primeiro equipo, no partido Xerez CD-Real Madrid, facendo o 0-1 para o conxunto branco.
Selección nacional
O 1 de febreiro de 2008 foi convocado por primeira vez pola selección absoluta de fútbol, aínda que finalmente non puido entrar na convocatoria do seleccionador Luis Aragonés, por un desgarro muscular no abdome.
Repetiu convocatoria para o seguinte partido, un amigable ante Italia disputado o 26 de marzo de 2008. Nesta ocasión si que puido debutar, saltando ao terreo de xogo no minuto 75, substituíndo a Sergio Ramos.
Desde ese momento, foi un fixo en todas a convocatorias, sendo seleccionado para disputar coa selección a Eurocopa 2008 que se xogou en Austria e Suíza, na que o combinado español alzouse coa vitoria, e tamén formou parte do equipo que xogou a Copa Confederacións 2009 disputada en Suráfrica, onde quedaron en terceiro lugar. O 21 de xuño de 2010 debuta nun mundial en Suráfrica no Mundial de 2010 substituíndo a Sergio Ramos na segunda metade do segundo partido da fase de grupos (España 2-0 Honduras). Nese mundial proclamouse campión con España. Tamén foi convocado para a Eurocopa 2012, na que España gañou na final a Italia por 4-0.
No verán de 2009 celebrou en Zaragoza a súa voda, converténdose en esposo de Carlota Ruiz. O 26 de abril de 2010 foi pai dunha nena chamada Alba, e o 16 de maio do 2013 dun neno chamado Raúl.