Après une carrière amateur effectuée dans sa région natale, Igor Astarloa passe professionnel en 2000 au sein de l'équipe italienne Mercatone Uno. Second de Danilo Di Luca, il obtient ses principales victoires lors de l'année 2003 avec l'équipe Saeco. La saison suivante, Astarloa arbore son maillot de champion du monde avec l'équipe Cofidis. Après un passage à la Lampre, il devient le leader de l'équipe Barloworld mais rencontre de multiples problèmes.
Astarloa arrête sa carrière cycliste en 2009. Impliqué dans plusieurs affaires de dopage, il fait partie des premiers coureurs sanctionnés par l'Union cycliste internationale à la suite d'anomalies sanguines dans son passeport biologique.
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