Han tillbringade större delen av sin karriär med Juventus, där han vann åtta Serie A-titlar, fyra Coppa Italia-titlar och tre Supercoppa Italiana-titlar. Han hade också framgångsrika perioder med Wolfsburg i Tyskland och Palermo i Italien.
På internationell nivå representerade Barzagli Italien 73 gånger och gjorde ett mål. Han var en del av det italienska laget som vann fotbolls-VM 2006, och han representerade också sitt land vid 2012 UEFA European Championship och 2014 FIFA World Cup.
Efter att ha gått i pension från spelandet 2019 började Barzagli arbeta som expert för italiensk tv. Han är också UEFA Pro-licensinnehavare och har uttryckt intresse för att träna i framtiden.