Avant la saison de baseball 2010, il est classé parmi les 50 meilleurs espoirs selon les Ligues majeures de baseball et on y vante sa balle rapide qui peut atteindre 156 km/h[2].
Il fait ses débuts dans les majeures le comme lanceur partant pour Baltimore dans un match face aux Yankees de New York. Il retire six frappeurs adverses sur des prises en six manches lancées et mérite sa première victoire dans les grandes ligues. Il gagne 6 parties contre 6 défaites à sa saison recrue avec une moyenne de points mérités de 4,66 en 100 manches et un tiers lancées en 18 départs.
En 2011, Arrieta amorce 22 parties des Orioles et termine deuxième de l'équipe pour le nombre de victoires derrière Zach Britton[3]. Arrieta gagne 10 matchs et perd 8 décisions. En 119,1 manches lancées, sa moyenne de points mérités s'élève à 5,05.
En 24 matchs, dont 6 comme releveur, en 2012, Arrieta remporte 3 victoires contre 9 défaites avec une moyenne de points mérités élevée de 6,20 en 114 manches et deux tiers au monticule. Ses 109 retraits sur des prises représentent son plus haut total en une année. Il est laissé de côté par les Orioles dans les séries éliminatoires.
En 2013, il n'amorce que cinq parties pour les Orioles, remportant un match contre deux défaites. Sa moyenne atteint 7,23 au cours de ces 23 manches et deux tiers de travail.
Cubs de Chicago
Le , Baltimore échange Arrieta et le lanceur de relève droitier Pedro Strop aux Cubs de Chicago pour le lanceur partant droitier Scott Feldman et le receveurSteve Clevenger[4]. En 9 départs pour les Cubs en fin de saison 2013, il remporte quatre victoires contre deux revers et maintient une moyenne de points mérités de 3,66 en 51 manches et deux tiers lancées. Cette bonne fin de saison lui permet de boucler la campagne avec une fiche de 5-4 et une moyenne de points mérités de 4,78 en 14 départs et 75 manches et un tiers lancées au total pour Baltimore et Chicago.
La deuxième moitié de saison 2015 de Jake Arrieta (après la pause du match des étoiles, auquel il n'est pas invité) est considérée comme historique. En effet, après cette pause de mi-saison, il n'accorde que 9 points mérités en 15 matchs, pour la plus basse moyenne de points mérités (0,75) jamais enregistrée dans l'histoire dans la seconde partie d'une saison[9].
Du 1er août à la conclusion de la saison régulière, Arrieta maintient en 12 départs une moyenne de points mérités de 0,41 qui est la plus basse de l'histoire depuis que la statistique est devenue officielle en 1913[10]. Il n'alloue à l'adversaire durant cette période que 8 coups sûrs de plus d'un but[10]. Après le , il n'accorde qu'un coup de circuit[11].
Gagnant de 22 parties, un sommet dans les majeures en 2015[12], contre 6 défaites, Arrieta maintient une moyenne de points mérités de 1,77 en 229 matchs lancées lors de ses 33 départs : il est le premier lanceur des Cubs avec une moyenne aussi basse depuis Grover Cleveland Alexander (1,91) en 1920[9]. Dans les majeures, seul Zack Greinke (1,66) affiche une meilleure moyenne en 2015[12]. Arrieta est aussi premier des majeures (à égalité avec d'autres) pour les matchs complets (4) et les blanchissages (3)[12]. Ses 5,9 coups sûrs et 0,4 circuit accordé en moyenne par 9 manches lancées sont aussi les meilleurs ratios de la saison dans les majeures[12].
Arrieta est nommé meilleur lanceur du mois d'août 2015 dans la Ligue nationale : il n'accorde durant cette période que deux points mérités en 42 manches et un tiers (pour une moyenne de 0,43), avec 43 retraits sur des prises, 6 victoires et aucune défaite[16]. Sans surprise, il reçoit le même honneur pour septembre[17].
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