Vertonghen on pelannut Belgian maajoukkueessa ennätykselliset 131 ottelua ja tehnyt niissä yhdeksän maalia. Ensimmäisen A-maaottelunsa hän pelasi EM-karsintaottelussa Portugalia vastaan kesäkuussa 2007. Ensimmäisen maajoukkuemaalinsa hän teki Tšekkiä vastaan elokuussa 2009. Hän pelasi Belgian kaikki viisi ottelua MM-kilpailuissa 2014 ja teki maalin Etelä-Koreaa vastaan. EM-kilpailuissa 2016 hän pelasi neljä ottelua. MM-kilpailuissa 2018 hän pelasi kuusi ottelua Belgian pronssijoukkueessa ja teki maalin ottelussa Japania vastaan. Kesän 2021 EM-kilpailuissa hän pelasi avauskokoonpanossa lukuun ottamatta viimeistä alkulohko-ottelua ja toimi joukkueen kapteenina loukkaantumisista kärsineen vakituisen kapteenin Eden Hazardin ollessa vaihdossa.