Vermaelen jest wychowankiem klubu Germinal Ekeren, który potem zmienił nazwę na Germinal Beerschot Antwerpia. Grał w tym zespole w drużynach juniorskich, a w 2003 roku przeniósł się do holenderskiego Ajaksu Amsterdam. 15 lutego 2004 zadebiutował w Eredivisie w wyjazdowym spotkaniu z FC Volendam wygranym przez Ajax 2:0. Był to jego jedyny mecz w tamtym sezonie w lidze, miał więc niewielki udział w wywalczeniu mistrzostwa Holandii. W sezonie 2004/2005 został wypożyczony do RKC Waalwijk, w którym wystąpił w 13 meczach, strzelił 2 gole i zajął z RKC 9. miejsce. Latem 2005 wrócił do Ajaksu i po rozegraniu 24 ligowych meczów i zdobyciu 3 bramek wywalczył z zespołem awans do kwalifikacji Ligi Mistrzów. W sezonie 2006/2007 stał się jednym z podstawowych zawodników zespołu i wystapił z nim w 5 meczach Ligi Mistrzów, między innymi w spotkaniu z FC Kopenhaga (0:2) strzelił samobójczą bramkę. W lidze natomiast wywalczył z Ajaksem wicemistrzostwo oraz zdobył Puchar Holandii.

W reprezentacji Belgii Vermaelen zadebiutował 1 marca 2006 w wygranym 2:0 meczu z Luksemburgiem. Jest członkiem kadry Belgii na eliminacje do Euro 2008 i wystąpił między innymi w przegranym 0:1 meczu z Polską.