De Ligt gia nhập học viện trẻ của Ajax khi anh lên 9 tuổi từ câu lạc bộ địa phương ở Abcoude, nằm bên ngoài Amsterdam. Lúc đầu, các huấn luyện viên ở học viện trẻ nghĩ rằng de Ligt quá chậm chạp và không đủ thể hình, nhưng bù lại de Ligt đã có cơ hội phát triển trong học viện và tiếp tục chứng minh những phẩm chất của mình.[4]

Mùa giải 2016-17

Anh ra mắt cho Ajax vào ngày 8 tháng 8 năm 2016 trong trận đấu ở Eerste Divisie với FC Emmen, và đã thi đấu trọn vẹn 90 phút của trận đấu.[5] Trong mùa giải đó, de Ligt đã chơi tổng cộng 17 trận cho Jong Ajax.[6]

Vào ngày 21 tháng 9, de Ligt đã ra mắt đội dự bị của Ajax trong trận đấu với Willem II. De Ligt ghi bàn ở phút thứ 25 từ một quả phạt góc, giúp anh trở thành cầu thủ ghi bàn trẻ thứ 2 sau Clarence Seedorf. Ở trận đấu này, Ajax đã thắng với tỷ số 5-0.[7] Vào ngày 24 tháng 10, Ajax thông báo qua Twitter rằng De Ligt đã đủ điều kiện để đựoc lên đội hình chính.[8] De Ligt nhanh chóng khẳng định vị trí của mình trong đội một sau khi được thăng hạng và tiếp tục thi đấu trong 11 trận đấu tại giải quốc nội và 9 trận đấu tại Europa League.[9]

Vào ngày 24 tháng 5, de Ligt trở thành cầu thủ trẻ nhất từ trước đến nay (17 tuổi và 285 ngày) chơi trong trận Chung kết cúp châu Âu khi anh bắt đầu gặp Manchester United trong trận Chung kết UEFA Europa League 2017.[10]

Mùa giải 2017-18

Sau khi bán Dávinson Sánchez cho Tottenham Hotspur vào tháng 8 năm 2017, de Ligt bắt đầu được ra sân trong đội hình chính. De Ligt được phân công làm đội trưởng của Ajax vào tháng 3 năm 2018 sau chấn thương của đội trưởng đội bóng này lúc đó là Joel Veltman.[11]

De Ligt xuất hiện trong 37 trận đấu trên mọi đấu trường và ghi được ba bàn thắng. De Ligt có tên trong đội hình xuất phát trong 31/37 trận đấu mà anh đã ra sân và chơi 90 phút trong hầu hết các trận trừ trận đấu mà de Ligt được thay ra vào phút thứ 33 khi đối đầu với Vitesse Arnhem do dính chấn thương.[9] Nhờ vào màn trình diễn xuất sắc của de Ligt cho Ajax, anh đã được nhiều câu lạc bộ hàng đầu châu Âu nhòm ngó đến như Barcelona, Real Madrid, Arsenal và Manchester City.[12]

Mùa giải 2018-19

Vào ngày 17 tháng 12 năm 2018, De Ligt giành danh hiệu Golden Boy (danh hiệu dành cho cầu thủ dưới 21 tuổi xuất sắc nhất năm). De Ligt trở thành hậu vệ đầu tiên giành được giải thưởng này.[13]

Ngày 13 tháng 2 năm 2019, de Ligt trở thành cầu thủ trẻ nhất đeo băng đội trưởng ra sân trong một trận đấu tại vòng knockout Champions League khi chỉ mới 19 năm và 186 ngày tuổi, trong trận đấu mà Ajax để thua Real Madrid 1-2,[3] tuy nhiên ở trận lượt về ngày 5 tháng 3, Ajax thắng lại Real tới 4-1 ngay trên sân khách để tiến vào tứ kết.[14] Ngày 27 tháng 2 năm 2019, de Ligt đã có trận đấu chính thức thứ 100 cho Ajax trong chiến thắng 3-0 ngay trên sân khách ở trận Klassieker với Feyenoord tại Cúp Quốc gia Hà Lan, trở thành cầu thủ trẻ nhất của Ajax đạt được cột mốc đó.[15]

Ngày 16 tháng 04 năm 2019, de Ligt đã ghi bàn thắng quyết định đem về chiến thắng 2-1 cùng tấm vé vào bán kết Champions League (lần đầu tiên kể từ mùa giải 1996-97) cho Ajax trong trận tứ kết lượt về gặp Juventus ngay tại Turin.[16][17][18] Bàn thắng của de Ligt giúp anh trở thành cầu thủ Hà Lan trẻ nhất ghi bàn tại các vòng knock-out Champions League kể từ khi Nordin Wooter làm được điều này vào năm 1966, cũng như là hậu vệ trẻ thứ nhì ghi bàn, chỉ sau Joël Matip.[19]