Vermaelen edusti Belgiaa nuorten maajoukkueissa. Hän pelasi Belgian A-maajoukkueessa ensimmäisen kerran maaliskuussa 2006 ystävyysottelussa Luxemburgia vastaan. Hän pelasi MM-kilpailuissa 2014 joukkueensa toisen alkulohko-ottelun Venäjää vastaan mutta joutui loukkaantumisen vuoksi vaihtoon jo puolen tunnin pelin jälkeen. EM-kilpailuissa 2016 hän pelasi täydet minuutit neljässä ottelussa mutta oli poissa tappiollisesta puolivälieräottelusta Walesia vastaan saatuaan aiemmissa otteluissa kaksi varoitusta ja niiden myötä yhden ottelun pelikiellon. Hän saavutti MM-pronssia 2018 ja pelasi lopputurnauksessa avauskokoonpanossa alkulohko-ottelun Englantia vastaan sekä tuli vaihdosta kentälle puolivälierässä Brasiliaa ja pronssiottelussa Englantia vastaan, jälkimmäisessä jo 39. minuutilla loukkaantuneen Nacer Chadlin tilalle. Kesän 2021 EM-kilpailuissa Vermaelen tuli vaihdosta kentälle kahdessa ensimmäisessä alkulohko-ottelussa ja pelasi täydet minuutit lopuissa kolmessa ottelussa.