Elokuussa 2014 Vermaelen siirtyi Arsenalista viisivuotisella sopimuksella katalaaniseura Barcelonaan. Siirtosumma oli 10 miljoonaa euroa (plus 8,8 miljoonaa euroa suorituksesta riippuvia bonuksia). Ensimmäisellä kaudellaan Barcelonassa hän pelasi loukkaantumisen vuoksi vain yhden liigaottelun. Sen jälkeenkin hänelle kertyi kaudessa parhaimmillaan 14 liigaottelua, kaudella 2017–2018. Ainoan La Liga -maalinsa hän teki elokuussa 2015 Málagaa vastaan. Joulukuussa 2015 hän oli voittamassa seurajoukkueiden maailmanmestaruutta. Mestarien liigassa hän pelasi kuusi ottelua, ja Barcelonan mestaruuskaudella 2014–2015 hän istui vaihtopenkillä ensimmäisen välieräottelun mutta ei päässyt kentälle. Kauden 2016–2017 hän edusti lainasopimuksella italialaista AS Romaa ja pelasi yhdeksän Serie A -ottelua.