É filho do ex-jogador e ex-treinador Periko Alonso, membro da Seleção Espanhola na Copa do Mundo de 1982. Os dois irmãos de Xabi também se dedicam ao futebol: Mikel, defende atualmente o Tenerife, e o mais novo, Jon, é árbitro.

De origem basca, foi revelado pelo Real Sociedad, sendo emprestado ao Eibar antes mesmo de estrear pelo clube de San Sebastián. Permaneceu por apenas uma temporada no Eibar, 2000/2001.

Após o retorno do empréstimo, atuou durante três temporadas como titular pelo Real Sociedad, sendo uma das grandes revelações da La Liga na temporada 2002/2003, em que seu time por pouco não reconquistou o campeonato, ficando na segunda colocação, apenas dois pontos atrás do campeão Real Madrid.

Na temporada 2004/2005, foi contratado pelo Liverpool, da Inglaterra, dirigido pelo espanhol Rafael Benítez. Foi eleito pelos torcedores do clube inglês como a melhor contratação do ano, seguido do seu conterrâneo Luis García. Ambos eram companheiros de clube e de seleção, assim como o também espanhol Pepe Reina.

No Liverpool, se destacou e passou pelo auge de sua carreira até o momento. Foi uma das importantes peças do clube inglês na final da UEFA Champions League 2004/2005, iniciando como titular e atuando durante toda a partida. O Liverpool se tornou campeão daquela edição do torneio nas disputas de pênaltis, após um jogo histórico, no qual o clube reverteu um resultado de 3 a 0 em apenas 45 minutos contra o Milan, da Itália.

Foi também graças às suas atuações pelo Liverpool que Xabi Alonso conseguiu se manter durante muito tempo nas convocações da seleção espanhola, sendo titular ou reserva imediato de Xavi Hernández.

Em 4 de Agosto de 2009, após uma longa negociação, Alonso acabou sendo contratado pelo Real Madrid, com valores não divulgados, mas especulados pela imprensa internacional em torno de €35 milhões. Foi mais uma das contratações milionárias do presidente Florentino Pérez (que acabava de retornar ao comando) para a temporada 2009/2010.

Atualmente é titular absoluto como volante da equipe galáctica, ao lado de outras estrelas do futebol mundial, como Cristiano Ronaldo, Karim Benzema e Kaká.

Debutou com a seleção nacional no dia 30 de Abril de 2003 contra o Equador, em Madrid, onde a La Roja venceu por 4 a 0.

Participou das fases finais da Euro 2004 e da Copa do Mundo de 2006, em que marcou o primeiro gol da Espanha na competição, o primeiro da goleada por 4 a 0 na estreia da seleção espanhola no torneio, contra a Ucrânia, em 14 de Junho de 2006.

Em 29 de Junho de 2008, Alonso foi, junto a sua equipe, campeão da Euro 2008. Jogou como capitão na terceira partida da fase de grupos, contra a Grécia, e foi eleito o melhor jogador da partida. Também jogou nas eliminatórias do torneio, como reserva na maioria das partidas.

Também esteve presente na Copa das Confederações de 2009, onde foi o autor do gol que deu o terceiro lugar à sua seleção contra a África do Sul, partida que terminou com o placar de 3 a 2. A grande expectativa da maioria dos torcedores para esse torneio era uma final entre Espanha e Brasil, o que não aconteceu, já que a Espanha foi eliminada nas semi-finais, sendo derrotada por 2 a 0 pelos Estados Unidos, que foram derrotados exatamente pelos brasileiros na final.

Ajudou sua seleção a obter 100% de aproveitamento nas eliminatórias européias para a Copa do Mundo 2010, realizada na África do Sul. A Espanha foi a dona da melhor campanha nestas eliminatórias, terminando com a espetacular marca de dez vitórias em dez jogos, pelo grupo 5, com 28 gols marcados e apenas cinco sofridos.

Foi campeão mundial pela Espanha em 2010.