Vermaelen var del av det belgiske U23-landslaget som kom til semifinalen i Sommer-OL 2008. Seks år senere var han i den belgiske troppen til VM i fotball 2014 i Brasil. Han startet i Belgias andre gruppespillskamp mot Russland til tross for at han hadde skadet seg under oppvarmingen. Etter 31 minutters spill måtte han imidlertid forlate banen og ble erstattet av Jan Vertonghen.