Nato a Fiesole l’8 maggio del 1981, cresce nelle giovanili della Rondinella.

Nel 2003 approda al Chievo Verona, dopo esperienze alla Pistoiese e all’Ascoli. Lo stesso anno esordisce in Serie A inanellando una lunga serie di ottime prestazioni che inducono il Palermo a prelevarlo per il campionato successivo.

Dopo quattro stagioni in Sicilia, decide di intraprendere l’esperienza estera, alla corte dei tedeschi del Wolfsburg, club in cui resta fino al gennaio del 2011, mese del passaggio alla Juventus.

Prima di entrare a far parte della Nazionale, Barzagli ha collezionato 8 presenze con l'Under 20 e 15 presenze con l'Under 21: esperienze che lo hanno portato a fregiarsi della medaglia di bronzo alle Olimpiadi di Atene 2004 e, soprattutto, della medaglia d'oro ai Campionati Europei Under 21 di Germania 2004.

Il 17 novembre 2004, in occasione dell'amichevole Italia-Finlandia 1-0,  esordisce nella Nazionale di Marcello Lippi: l'inizio di un'avventura che lo porterà  a vincere la Coppa del Mondo 2006, con due presenze all'attivo.

All'Europeo 2008 disputa una sola gara (quella contro l'Olanda persa per 3-0) a causa della sfortunata rottura del menisco del ginocchio sinistro, patita in allenamento nei giorni successivi all’incontro.

Cesare Prandelli lo reinserisce nel gruppo azzurro in occasione delle gare di qualificazione a Euro 2012 contro Serbia e Irlanda del Nord, disputatesi nell'ottobre 2011, quindi lo convoca per il torneo di Polonia e Ucraina, che vedrà gli Azzurri classificarsi al secondo posto.