El Deportivo apostaría por la llegada de Míkel Balenziaga, según apunta el periodista Ángel García. El club gallego tendría la competencia del Leganés y el Cartagena de la LaLiga SmartBank. El jugador ha disputado casi 300 partidos en la máxima categoría del fútbol nacional en las doce campañas en Primera.
Nacido en Zumárraga, comenzó a jugar al fútbol en la cantera de la Real Sociedad, hasta llegar al filial donde estuvo dos temporadas. Sin embargo, el 31 de agosto de 2008, fichó por el Athletic Club a cambio de un millón de euros para jugar en el Bilbao Athletic.
El 3 de septiembre el técnico del Athletic Club, Joaquín Caparrós, le dio la oportunidad de participar un amistoso en el que marcó un gol. El utrerano decidió apostar por el joven lateral por delante de otros laterales más experimentados como Koikili o Javi Casas. Así, el 14 de septiembre de 2008, debutó como titular en Primera División en Málaga (0-0). Sin embargo, a mitad de temporada, perdió la titularidad en favor de Koikili. En esa temporada alcanzó la final de la Copa del Rey, aunque no la disputó.
En julio de 2009 el Athletic fichó a Xabi Castillo, por lo que Balenziaga fue cedido por una temporada al CD Numancia, recién descendido de la Primera División. Tras su regreso, en la temporada 2010-11, fue el cuarto lateral izquierdo del equipo rojiblanco tras Jon Aurtenetxe, Koikili y Xabi Castillo. El Real Valladolid le incorporó a sus filas en el verano de 2011, después de una campaña en la que solo había jugado un partido con los leones.
Después de dos buenas temporadas en el Valladolid, donde llegó a jugar como lateral derecho y, además, logró el ascenso a Primera División, regresó al Athletic Club, con Ernesto Valverde como técnico. Se convirtió en una pieza clave de la línea defensiva, dejando sin opciones a otros laterales como Aurtenetxe, que había sido titular las dos últimas temporadas, o Enric Saborit. Ambos laterales tuvieron que salir cedidos en diferentes temporadas en busca de minutos. En su primera temporada con Ernesto Valverde, alcanzó la clasificación para la Liga de Campeones de la UEFA. En su segunda temporada, disputó la final de la Copa del Rey 2014-15 frente al Barcelona, donde tuvo la difícil tarea de defender a Leo Messi. Ya en agosto, consiguió tomar revancha al logar la Supercopa de España 2015, a doble partido, siendo clave su gran marcaje a Messi.
El 24 de septiembre de 2016 marcó el primer gol de su carrera deportiva. Era su partido 170 en el Athletic y el 330 de su carrera. Batió con un gran disparo al meta sevillista Salvatore Sirigu, tras una gran jugada personal, que puso el 2 a 1 a favor del Athletic en la sexta jornada de Liga. El 16 de febrero de 2017 estuvo a punto de anotar su primer gol en Liga Europa, aunque el desvío del central Merkis hizo que fuera considerado en propia puerta, en la ida de dieciseisavos de final ante el APOEL. El 14 de abril disputó su ducentésimo partido con el club rojiblanco ante la UD Las Palmas, convirtiéndose así en uno de los pocos laterales izquierdos a lo largo de la historia del club en conseguirlo.
El 16 de diciembre de 2017, en el derbi vasco ante la Real Sociedad, disputó su partido 200 en Primera División. En ese mismo partido, sufrió una lesión muscular que le apartó del equipo dos meses y medio. Tras su reaparación, en un partido de Liga Europa ante el O.Marsella, sufrió una recaída que le apartó del equipo tres semanas más. En mayo sufrió una lesión en los isquiotibiales, cuando apenas quedaban tres jornadas de competición por lo que no pudo volver a jugar en esa campaña. En la temporada 2018-19 pasó a tener un papel menos protagonista en las alineaciones debido a la llegada de Yuri Berchiche. El 17 de enero de 2021 conquistó su segunda Supercopa de España, en la que fue titular, tras derrotar por 3 a 2 al FC Barcelona. Además, su buena actuación en la competición le llevó a renovar su contrato hasta junio de 2022. En la temporada siguiente, debido a las problemas físicos de Yuri, disputó una treintena de partidos por lo que el club le renovó otra campaña más.
El 20 de abril de 2023 anunció, en rueda de prensa, su marcha del Athletic Club una década después de su regreso.