Thomas Vermaelen występuje na pozycji obrońcy. Jest zawodnikiem FC Barcelony wypożyczonym do AS Romy. Swoją piłkarską karierę zaczynał w Germinal Ekeren, skąd w 1999 roku trafił do Germinal Beerschot. Jako senior zadebiutował w Ajaksie Amsterdam w 2003 roku. W sezonie 2004/2005 został wypożyczony do Waalwijk. W 2009 roku podpisał umowę z Arsenalem Londyn, w 2014 roku przeniósł się do FC Barcelony, ale rozegrał tam tylko trzy spotkania. Największym problemem w jego karierze bez wątpienia były kontuzje, które uniemożliwiają regularny trening i rozgrywanie meczów. W barwach narodowych zadebiutował 1 marca 2006 roku.