Từng là thành viên của tuyển trẻ, Vermaelen đã góp mặt ở Giải vô địch bóng đá U19 và U21 châu Âu lần lượt vào các năm 2004 và 2007. Anh có màn ra mắt ở đội tuyển Bỉ lúc 20 tuổi trong trận đấu với Luxembourg vào tháng 3 năm 2006. Ngày 8 tháng 10 năm 2009, anh được thông báo là đội trưởng của đội tuyển Bỉ[26] trước trận đấu gặp Thổ Nhĩ Kỳ và Estonia ở vòng loại World Cup 2010 nhưng cũng không thể giúp người Bỉ thoát khỏi vị trí thứ tư ở bảng đấu của họ. Anh được gọi trở lại đội tuyển vào ngày 14 tháng 11 trong trận đấu giao hữu trước Hungary và ghi bàn thắng đầu tiên của anh cho đất nước bằng một pha chạm bóng sau đường chuyền của Eden Hazard. Vermaelen được xem là một trong những hậu vệ người Bỉ xuất sắc nhất trong thế hệ của anh. Vermaelen mặc chiếc áo số 3 và có 43 lần khoác áo đội tuyển quốc gia. Anh thường xuyên đá cặp với Vincent Kompany, người có 55 trận thi đấu cho tuyển Bỉ.[27]