En 2002 su participación fue limitada debido a lesiones y tiempo en las ligas menores, por lo que en solo nueve juegos (cuatro aperturas) tuvo marca de 2-1 con 4.00 de efectividad.

En 2005, Arroyo estableció marcas personales con 14 victorias, 32 aperturas y 205 1⁄3 entradas en 35 apariciones.

Al finalizar la temporada firmó un extensión de tres años y $11.25 millones con los Medias Rojas.

[1]​ Arroyo gozó en 2006 de un gran año con los Rojos, liderando la liga en entradas lanzadas (240 2⁄3), lanzando su primer juego blanqueado y obteniendo su primera invitación a un Juego de Estrellas.

Fue la primera victoria de Arroyo en postemporada en 13 apariciones, incluyendo cinco aperturas.

[9]​ El 7 de julio se anunció que se sometería a una cirugía Tommy John para reparar un ligamento ulnar colateral,[10]​ por lo que perdió el resto de la campaña.

[12]​ Arroyo no jugó en toda la temporada 2015 por el proceso de recuperación de la operación Tommy John, y su opción para 2016 fue declinada por los Dodgers, convirtiéndolo en agente libre.

[14]​ Sin embargo, tuvo poca acción con la organización debido a una lesión en el codo, hasta que finalmente fue liberado.

Su repertorio incluye una recta con velocidad promedio entre 87-92 mph y de excelente movimiento, un slider, un cambio de velocidad y una curva, este último considerado su mejor lanzamiento.