Талант Томаса розкрився в наступному сезоні після повернення в «Аякс», з яким він виграв Кубок Нідерландів. Його виступи за команду були помічені тренерами збірної Бельгії. У наступному сезоні, 2006—2007 років, Вермален додав у свій послужний список ще один Кубок і Суперкубок Нідерландів. У сезоні 2007—2008 Томас разом з «Аяксом» завоював другий поспіль Суперкубок країни. У сезоні 2008—2009 Вермален був капітаном команди.
Томас був визнаний вболівальниками найкращим гравцем «Арсеналу» в серпні і вересні 2009 року[7], а за підсумками сезону 2009—2010 Вермален увійшов до символічної збірної АПЛ[8].
Провівши протягом двох сезонів лише 11 матчів у Ла-Лізі, влітку 2016 був відданий в оренду до італійської «Роми»[9]. У складі римської команди також не став повноцінним гравцем основного складу, додавши ло свого активу протягом сезону 2016/17 лише 9 ігор в Серії A.
Повернувшись влітку 2017 року з оренди до «Барселони», знову був гравцем ротації, провівши у переможному для каталонського клубу сезоні Ла-Ліги 2017/18 лише 11 ігор.
На рівні національної збірної першим великим турніром для Вермалена став чемпіонаті світу 2014 року, на якому він дебютував у другій грі групового етапу проти росіян. Дебют виявився невдалим — вже на 32 хвилині гри він травмувався, був замінений і пропустив решту турніру.
За два роки, на Євро-2016 вже був основним гравцем у захисті бельгійців. У першій грі групового етапу захист Бельгії пропустив два голи від збірної Італії, проте згодом не дозволив суперникам відзначитися ані в решті двох матчах у групі, ані в матчі 1/8 фіналу проти угорців (4:0). Утім в останньому з цих матчів Вермален отримав свою другу жовту картку на турнірі, через що не зміг допомогти команді у чвертьфіналі проти Уельсу, який вона програла 1:3, завершивши боротьбу за титул континентальних чемпіонів.
2018 року поїхав на свою другу світову першість — тогорічний чемпіонат світу в Росії, де розпочав турнір як резервний захисник.