俊足と遠投110メートルの強肩を兼ね備える[21][22]。特にスローイングは短い距離での精度には欠けるもののバックホームなどの長距離では力強さを見せ[23]、西武外野陣で一番の強肩であると言われる。

一塁から本塁を狙った走者が幾度となく松井の強肩で刺され、また松井が守備に就いているときは「内野安打は不可能」とまで言われていた。

蓄積された緻密な計算に基づく頭脳的なリードから「ID野球の申し子」と評された[20]。投手には初球からウイニングショットや、逆に決め球にはど真ん中の直球を要求するなどの配球術で打者の裏をかいた。

守備では守備範囲は狭いがグラブ捌きは巧みで、ショートバウンドの送球をうまくすくい上げる技術を備える[20]ほか、バントシフトで一塁から猛チャージをかける一面も見せる。

ボールカウントなどの状況や、投手と打者の特性の組み合わせにより、独断で頻繁に時には大幅に立ち位置を変える。強肩は球界トップクラスだった。

ゴールデングラブ賞を遊撃手部門で6回、三塁手部門で4回獲得。週刊ベースボール実施の『球界200人が選んだ！内野守備ランキング』において遊撃手1位に選出されている。

言わずと知れた名二塁手。宮本慎也からは「彼の守備範囲の広さはすごい。」と称賛されているが、常人が追いつけない打球に追いついてしまいエラーが記録されることもしばしばである。

落合博満が掲げた「オレ流野球」の一つ「一芸に秀でた選手が必要」を象徴する選手として、開幕から一軍の代走及び守備固めとして活躍。強肩を物語る伝説的エピソードが多数。

フィールディングもうまく[32]、2006、2007年度と二年連続でゴールデングラブ賞を受賞している。2006、2007年度は同僚の谷繁元信も二年連続で受賞している。