Większość swojej kariery spędził w Juventusie, gdzie zdobył osiem tytułów Serie A, cztery tytuły Coppa Italia i trzy tytuły Supercoppa Italiana. Miał także udane okresy w Wolfsburgu w Niemczech i Palermo we Włoszech.
Na poziomie międzynarodowym Barzagli reprezentował Włochy 73 razy, strzelając jednego gola. Był członkiem włoskiej drużyny, która zdobyła Puchar Świata FIFA 2006, a także reprezentował swój kraj na Mistrzostwach Europy UEFA 2012 i Mistrzostwach Świata FIFA 2014.
Po przejściu na emeryturę w 2019 roku Barzagli rozpoczął pracę jako ekspert dla włoskiej telewizji. Jest także posiadaczem licencji UEFA Pro i wyraził zainteresowanie coachingiem w przyszłości.