Desde 2009 hasta 2016 defendió la camiseta blanca en el Bernabéu. Fue un auténtico soldado de Mourinho en los años de los rallys de clásicos y de la máxima rivalidad entre Real Madrid y Barcelona, lo que le valió el cariño y el apoyo de un sector de la afición blanca.
El espartano ganó dos Champions League, una Supercopa de Europa, un Mundial de Clubes, una Liga, dos Copas del Rey y una Supercopa de España en su periplo en el primer equipo del Madrid. Su era en el lateral derecho, coincidió con los éxitos de la selección española, con la que consiguió el triplete (Eurocopa 2008-Mundial 2010-Eurocopa 2012), siendo fundamental en la conquista de la cita europea de Polonia-Ucrania.
Arbeloa, que lucía el mítico 17 en la espalda, se fue del Madrid al término de la temporada 2015-2016, cuando fichó por el West Ham, donde colgó las botas.
El Castilla, cuarto
El nuevo entrenador del Madrid regresó a la casa blanca en septiembre de 2020 para dirigir el equipo sub 14, haciéndose cargo del juvenil A dos años más tarde.
El 28 de mayo de 2025 le llegó la oportunidad de dirigir al Castilla, sustituyendo a otro mito del club, Raúl González Blanco. Al filial blanco le deja esta temporada en cuarta posición del Grupo I de la Primera Federación con 31 puntos, 10 victorias, un empate, ocho derrotas, 25 goles a favor y 25 en contra.