Vermaelen tekende op 19-jarige leefdtijd in 2004 een contract bij het grote Ajax. De Belg debuteerde op 15 februari 2004 tegen FC Volendam (2-0) en werd hij onder trainer Ronald Koeman kampioen van Nederland. Het seizoen erna verhuurden de Amsterdammers hem voor één seizoen uit aan RKC Waalwijk. Ajax haalde hem aan het einde van dat seizoen weer terug naar Amsterdam. Hij speelde 24 wedstrijden en maakte drie doelpunten.

In totaal speelde de verdediger van de Rode Duivels 99 wedstrijden voor Ajax, waarin hij acht doelpunten scoorde.

Erelijst Thomas Vermaelen:

Kampioen van Nederland: 2004
KNVB Beker: 2006, 2007
Johan Cruijff Schaal: 2005, 2006, 2007

2003/04 Ajax 1 wedstrijden 0 doelpunten
2004/05 RKC Waalwijk 13 wedstrijden 2 doelpunten
2005/06 Ajax 24 wedstrijden 3 doelpunten
2006/07 Ajax 23 wedstrijden 0 doelpunten
2007/08 Ajax 20 wedstrijden 1 doelpunt
2008/09 Ajax 31 wedstrijden 4 doelpunten