Он дебютировал, когда ему было 19 лет, с Аяксом 15 февраля 2004, против Волендама. После аренды в Валвийке, Вермален вернулся в клуб, где в 2000 году стал основным игроком стартового состава. В Голландии он начал выигрывать титулы, выиграл чемпионат Голландии, два Кубка Голландии и два Супер Кубка Голландии. Летом 2008 стал капитаном команды из Амстердама, год спустя Арсен Венгер заключил контракт с ним и перешел в Арсенал. С самого начала Вермален показал на, что он способен, дебютируя в Премьер-лиге он забил свой первый гол за Канониров. В Арсенале он стал известен, как сильный защитник, а также голеадор, в первом сезоне за клуб, за него проголосовали в символическую команду английской Премьер-лиги. Это было в 2012, когда с отъездом Робина ван Перси его навыки лидерства позволили ему стать капитаном команды. Теперь он покидает Лондон победителем Кубка Англии 2013/14.

В первом сезоне за Арсенал был включен в символическую команду Премьер-лиги, забил много голов головой со стандартных положений. Провел 46 матчей за национальную сборную, дебютировал в 2006 году.

Он получал много травм в следующих сезонах, но все же сделал достаточно, чтобы заслужить капитанскую повязку после того, как Робин Ван Перси ушел в МЮ в 2012 году. В заключительном сезоне Вермален повел команду к титулу Кубка Англии.

Он дебютировал в национальной сборной Бельгии в возрасте всего 20 лет, в марте 2006 года. Незадолго до подписания Барселоной, Томас выступал за Бельгию на ЧМ-2014 в Бразилии. Один из лучших защитников в прекрасном поколение бельгийских футболистов, он помог своей сборной дойти до четвертьфинала, что считается отличным результатом.

После длительного восстановления от травмы, бельгийский защитник наконец-то дебютировал в первой команде Барсы в последнем туре Ла Лиги, когда Барса принимала Депортиво на Камп Ноу, игра закончилась в ничью 2-2, а Вермален провел на поле 66 минут после чего был заменен.