Vertonghen jest wychowankiem Geminalu Beerschot Antwerpia, który stanowi belgijską filię Ajaksu Amsterdam. Do Holandii Vertonghen przeniósł się w 2006 roku. Swój debiut w pierwszej drużynie Ajaksu zaliczył 3 grudnia 2006 roku w wygranym 6-0 meczu z Willem II. Wkrótce został wypożyczony do RKC Waalwijk, w którym to rozegrał 12 spotkań, a następnie powrócił do Ajaksu.

W drużynie narodowej zadebiutował 2 lipca 2007 roku w przegranym 1-2 meczu z Portugalią.