België wist zich als nummer een in haar groep te kwalificeren voor het EK van 2016. Vermaelen speelde in deze kwalificatiereeks slechts twee wedstrijden mee. In mei 2016 werd hij door Marc Wilmots opgenomen in de selectie voor het EK in Frankrijk. De Rode Duivels werden op dit EK ingedeeld in een groep met Italië, Ierland en Zweden. Wilmots koos voor Vermaelen en Alderweireld in het centrum van de verdediging. De eerste wedstrijd op het EK werd door de Rode Duivels met 2-0 verloren van Italië. België won vervolgens wel met 3-0 van Ierland en met 1-0 van Zweden waardoor het als nummer twee in de groep doorging naar de knock-out fase. In deze knock-out fase werden de Rode Duivels gekoppeld aan Hongarije. België won deze wedstrijd van Hongarije overtuigend met 4-0. Vermaelen pakte in deze wedstrijd zijn tweede gele kaart van het toernooi waardoor hij de wedstrijd tegen Wales in de kwartfinale moest missen. Wilmots kon in de wedstrijd tegen Wales ook geen beroep doen op Vertonghen, die eerder op de training geblesserd was uitgevallen waardoor Alderweireld het centrale duo vormde met Jason Denayer en Jordan Lukaku speelde als linksback. België verloor de wedstrijd met 3-1 wat de uitschakeling betekende.