Ha trascorso gran parte della sua carriera con la Juventus, dove ha vinto otto titoli di Serie A, quattro titoli di Coppa Italia e tre titoli di Supercoppa Italiana. Ha avuto periodi di successo anche con il Wolfsburg in Germania e il Palermo in Italia.
A livello internazionale Barzagli ha rappresentato l'Italia 73 volte, segnando un gol. Ha fatto parte della squadra italiana che ha vinto la Coppa del Mondo FIFA 2006 e ha anche rappresentato il suo paese al Campionato Europeo UEFA 2012 e alla Coppa del Mondo FIFA 2014.
Dopo essersi ritirato dall'attività sportiva nel 2019, Barzagli ha iniziato a lavorare come opinionista per la televisione italiana. È anche titolare della licenza Pro UEFA e ha espresso interesse ad allenare in futuro.