Alonso memulai kariernya di Real Sociedad, tim utama di provinsi tempat tinggalnya Gipuzkoa. Setelah masa pinjaman singkat di SD Eibar, ia kembali ke Sociedad dan kemudian oleh manajer John Toshack ditunjuk sebagai kapten tim. Alonso berkontribusi penting dalam membawa Real Sociedad ke peringkat dua di musim 2002-03. Dia pindah ke Liverpool pada bulan Agustus 2004 dengan nilai £ 10.500.000. Ia memenangkan Liga Champions di musim pertamanya di klub, mencetak gol penyama kedudukan di Final. Musim berikutnya, ia memenangkan Piala FA dan Community Shield. Dia pindah ke Real Madrid di awal musim 2009-10 dalam sebuah kesepakatan senilai sekitar £ 30 juta. Setelah lima musim di klub, memenangkan penghargaan termasuk gelar liga pada 2012 dan Liga Champions pada 2014, ia dikontrak oleh Bayern Munich senilai £ 5 juta.
Dia membuat debut internasional untuk Spanyol pada bulan April 2003 dalam kemenangan 4-0 melawan Ekuador. Selama bermain untuk Spanyol, Alonso telah memenangkan Euro 2008, Euro 2012, dan Piala Dunia 2010, dan ia juga telah mewakili negaranya di Euro 2004 dan Piala Dunia 2006. Pada tanggal 23 Juli 2012, Alonso mengumpulkan caps ke-100 bagi Spanyol di perempat final Euro 2012 saat melawan Prancis: ia merayakan kesempatan itu dengan mencetak dua gol bagi Spanyol dan membawa mereka melaju ke semifinal. Setelah kegagalan Spanyol untuk maju dari babak grup di Piala Dunia 2014, Alonso pensiun dari sepak bola internasional pada 27 Agustus 2014.
