2008-09賽季費爾馬倫擔任阿賈克斯隊長，18歲時首次代表這家荷甲俱樂部出場，他的青少年時期是在比利時的比爾肖特俱樂部度過的。 在為阿賈克斯參加的143場比賽中，費爾馬倫主要打中後衛位置，在聯盟杯和歐冠聯賽中獲取經驗，2005-07賽季歐冠小組賽參加了對阿森納的兩回合比賽。2006年3月至今，他代表比利時國家隊出場20次，已成為主力。
效力阿賈克斯期間，費爾馬倫於2003-04賽季贏得荷甲冠軍，2006年和2007年兩次贏得荷蘭杯冠軍及荷蘭超級杯冠軍。
折疊阿森納
在2009年的夏天，有傳聞指英超俱樂部阿森納對托馬斯·費爾馬倫有興趣，但阿森納球探托尼·亞當斯隨即否認他是阿森納的轉會目標，並表示托馬斯·費爾馬倫不適合阿森納，但在隨後，北京時間2009年6月20號淩晨，阿森納俱樂部在其官方網站宣布了今年夏天俱樂部的首筆也是唯一一筆簽?約正式完成，在接受隊醫體檢之後，阿賈克斯隊長、23歲的比利時後衛托馬斯·費爾馬倫(Thomas Vermaelen)正式加盟兵工廠，雙方將簽署一份長期合同，不過俱樂部並未透露合同年限和具體的轉會費，有媒體猜測托馬斯·費爾馬倫的身價大約在1000萬英鎊左右。在阿森納簽下托馬斯·費爾馬倫時，圍繞比利時人的爭議著實不少。名氣不夠響亮，身材不夠壯碩，超過千萬的身價也不夠便宜，溫格為了他放棄多年骨幹圖雷是否太過托大?然而，熱身賽狀態一般的托馬斯·費爾馬倫，到了正式賽季頭兩場球就讓人看到了他的出色，身披5號球衣的托馬斯·費爾馬倫在阿森納09-10賽季的第一場聯賽中第一次上場就射進一球，槍迷稱他為\"藥水\"。與凱爾特人一戰，比利時中衛防守滴水不漏，賽後被天空體育打了9分的全場最高分，評語為\"超級表現\"。作為中衛，托馬斯·費爾馬倫進球能力讓人驚訝，他那強悍的搶點和精準的左腳，讓他甚至一度在阿森納隊內成為頭號射手!
做為剛加盟的球員，在新賽季開始的連續兩個月因為出色表現而被球迷評為俱樂部最佳球員，這在阿森納隊史上還是首次。曾飽受質疑的槍手中衛托馬斯·費爾馬倫已經得到大多數人的認同與讚賞，相信在溫格這位善於培養年輕球員的教練手下，比利時人會有一個光明的未來。
溫格執教前期，阿森納防線還是五老時代，都是身強體壯的傳統英式後衛，不過從挖掘出圖雷後開始，槍手便偏重使用意識型球員，幾名後衛除了最不受寵的森德羅斯外都不是高大壯碩型的。托馬斯·費爾馬倫便是延續這層思路來到酋長球場。
09-10賽季，維爾馬倫在聯賽中打入7球，其中前三輪更是三場打入四球;在歐冠比賽中也打入一球，共收獲8粒進球，成為世界最強\"帶刀侍衛\"。
隨後的10-11賽季很不幸，在打了幾場聯賽後維爾馬倫一直處於腳後跟受傷狀態，甚至進行了手術，直到最後三輪聯賽才傷愈複出，狀態也未發揮出來。
2011-12賽季，第一輪對陣紐卡他的神級表現讓阿森納大門保持不失可沒想到不久後阿森納副隊長維爾馬倫再次受傷，這次又要長達一個月，不知道他會不會延續上賽季長期傷病。幸運的是他按時歸隊了，並在賽季第二次對陣紐卡的比賽中，用最後一分鍾的進球幫助球隊2:1絕殺對手。同時，他與日漸成熟的科斯切爾尼的搭檔成為了槍手近年來最令人放心的後防組合之一。
2012-13賽季，維爾馬倫接替轉會曼聯的範佩西，成為了阿森納的隊長。
2014年夏天，簽下巴薩的維爾馬倫一直沒有代表球隊有過出場紀錄，仍在養傷，有消息稱，巴薩體育總監蘇比薩雷塔在知道威爾馬倫有傷的情況下仍然簽下了他。蘇比薩雷塔的轉會操作遭到了不少批評，2015年巴薩通過官網宣布與體育總監蘇比薩雷塔解約。
2015年4月26日，據加泰媒體《世界體育報》報道，維爾馬倫拿到了巴薩隊醫開出的上場許可，比利時人有望很快重返球場。自2014年加盟巴薩以來，維爾馬倫還未出場過任何正式比賽，隻代表過巴薩B隊參加過一場對陣印尼的友誼賽，他在那場比賽中取得了進球。