Zawodnik z drużyną Realu Madryt podpisał pięcioletni kontrakt, wygasający w 2014 rokuRealMadrid.pl.
Mimo wielkiej konkurencji w zespole, wychowanek wywalczył sobie miejsce w pierwszym składzie, na stałe meldując się na lewym boku obrony. Dobrą postawę w defensywie uzupełnił dwoma trafieniami w Primera División. Pierwszą ze swoich bramek, zdobył 13 lutego 2010 roku w wyjazdowym spotkaniu z Xerez CD, jako pierwszą bramkę meczu, które ostatecznie zakończyło się zwycięstwem 0:3. Drugie, znacznie ważniejsze trafienie zaliczył w derbowym spotkaniu z Atlético Madryt, wykorzystując podanie Xabiego Alonso. To spotkanie zostało wygrane przez „Blancos” w stosunku 3:2. Po opuszczeniu stanowiska trenera przez Manuela Pellegriniego, jego miejsce zajął José Mourinho, a Arbeloa zyskał uznanie nowego szkoleniowca. 20 kwietnia 2011 roku Alvaro przyczynił się do wygrania finałowego starcia z FC Barceloną w Copa del Rey. W sezonie 2011/12 był zawodnikiem pierwszego składu, przyczyniając się do zdobycia pierwszego od 4 lat Mistrzostwa Hiszpanii przez Real. Był ważnym ogniwem drużyny, która pobiła wiele rekordów, np. zdobyła 100 ligowych punktów. 1 sierpnia 2012 roku, klub wydał oficjalny komunikat, w którym poinformował media, o tym, że przedłuża z zawodnikiem kontrakt do 2016 roku.