Am 26. März 2008 feierte Arbeloa gegen Italien sein Debüt in der spanischen Nationalmannschaft. Im selben Jahr gewann er mit Spanien die Europameisterschaft. Bei diesem Turnier kam er im letzten Vorrundenspiel gegen Griechenland zu einem Einsatz. Arbeloa gehörte auch zum erfolgreichen Kader der spanischen Nationalmannschaft bei der Weltmeisterschaft 2010. Er wurde jedoch nur im Gruppenspiel gegen Honduras eingesetzt. Bei der Europameisterschaft 2012 war Arbeloa Stammspieler und gewann mit Spanien erneut den Titel. Er spielte bei diesem Turnier in der rechten Außenverteidigung neben Sergio Ramos, Gerard Piqué und Jordi Alba. Im Mai 2014 gab er nach 56 Länderspielen seinen Rücktritt aus dem Nationalteam bekannt, nachdem er nicht für die Weltmeisterschaft 2014 nominiert worden war.