Vertonghen est formé au KFC Germinal Beerschot Anvers. Il rejoint l'Ajax Amsterdam, qui a un accord de partenariat avec le club belge, en 2003. En 2006, il est intégré au noyau professionnel. En , il est prêté six mois au RKC Waalwijk. Ses prestations sont convaincantes et l'Ajax décide de le rappeler au terme de la saison. Jan Vertonghen connaît ensuite un beau début de carrière, remportant une Coupe des Pays-Bas en 2010 ainsi que deux titres de champions en 2011 et en 2012. Il est également élu meilleur joueur du championnat hollandais en 2012. La même année, il est transféré à Tottenham Hotspur et s'impose comme étant l'un des meilleur défenseurs de Premier League, formant de 2015 à 2020 avec son compatriote Toby Alderweireld une charnière centrale extrêmement efficace. En 2019, à la suite d'une épopée mémorable où il se distingue notamment lors des huitièmes de finale contre le Borussia Dortmund, Jan Vertonghen atteint la finale de la Ligue des champions, perdue face à Liverpool (0-2). Il quitte le club londonien en 2020 au bout de huit saisons.