20 maja 2021 został powołony na Euro 2020. Wystąpił we wszystkich meczach fazy grupowej, wchodząc z ławki rezerwowych w wygranych spotkaniach z Rosją i z Danią. 21 czerwca 2021 roku, w trzecim meczu fazy grupowej z Finlandią, Vermaelen zaczął grać od 1. minuty spotkania. W 74. minucie uderzając głową w słupek, przyczynił się do zdobycia bramki, kiedy to bramkarz Finlandii Lukas Hradecky strzelił gola samobójczego. Spotkanie ostatecznie skończyło się 0:2. Zagrał od 1. minuty w wygranym 1:0 spotkaniu z reprezentacją Portugalii. Wyszedł w pierwszym składzie w przegranym spotkaniu z Włochami 2:1. Ostatatecznie rozegrał pełne 90 minut, a Belgia odpadła z Euro 2020 w ćwierćfinale.