Väčšinu svojej kariéry strávil v Juventuse, kde získal osem titulov Serie A, štyri tituly Coppa Italia a tri tituly Supercoppa Italiana. Úspešne pôsobil aj v nemeckom Wolfsburgu a talianskom Palerme.
Na medzinárodnej úrovni Barzagli reprezentoval Taliansko 73-krát, pričom strelil jeden gól. Bol súčasťou talianskeho tímu, ktorý vyhral Majstrovstvá sveta vo futbale 2006, a svoju krajinu reprezentoval aj na Majstrovstvách Európy 2012 a Majstrovstvách sveta vo futbale 2014.
Po ukončení hrania v roku 2019 začal Barzagli pracovať ako učenec pre taliansku televíziu. Je tiež držiteľom UEFA Pro License a prejavil záujem o trénovanie v budúcnosti.