Jabarkan Real Madrid dari Álvaro Arbeloa

Arbelo menuju Real Madrid setelah Real Madrid dan Liverpool sepakat tentang transfer Arbeloa. Arbeloa dikontrak selama lima tahun setelah menyelesaikan transfernya. Setelah kepergian Michel Salgado dan Miguel Torres, Arbeloa diberikan nomor punggung 2 dan berganti nomor punggung 17 setelah Ruud Van Nistelrooy hengkang dari Real Madrid.

Arbeloa menghabiskan sebagian besar musim pertamanya dalam tugas keduanya sebagai bek kiri, mencetak gol pertamanya pada 13 Februari 2010 dalam kemenangan tandang 3-0 atas CD Xerez.[23]  Yang kedua terjadi di Derby Madrid pada 28 Maret, mencetak gol dengan kaki kanan melewati David de Gea dalam kekalahan 3–2 dari Atlético Madrid.  Di bawah manajer baru José Mourinho, ia merayakan penampilannya yang kesepuluh di Liga Champions dengan gol pertamanya di kompetisi tersebut, mencetak gol dari luar area penalti dalam kemenangan 4-0 di AFC Ajax di babak penyisihan grup.[25]

Dalam kampanye 2011-12, karena cedera panjang Ricardo Carvalho, Sergio Ramos dipindahkan ke bek tengah dan Arbeloa mulai tampil hampir secara eksklusif di sisi kanan dari empat bek.  Pada 1 Agustus 2012, dia memperpanjang hubungannya dengan klub hingga Juni 2016.[26][27]

Selanjutnya, Arbeloa menjadi pemain pinggiran.[28][29]  Pada 2015–16[30] dia tampil hanya dalam sembilan pertandingan di semua kompetisi, dua di antaranya di Liga Champions yang dimenangkan untuk kedua kalinya dalam tiga tahun;[31][32] pada 8 Mei 2016, dia mengonfirmasi bahwa dia  akan berangkat pada 30 Juni.[33]