トマス・フェルメーレンは、2014年8月9日にFCバルセロナの選手となった。アーセナル出身で、バルセロナに経験豊でリーダーシップをとれるセンターバックとしてやってきた。

アヤックスの育成組織の結果であるフェルメーレンは、15才でオランダのクラブに加入し、プロとしてトップチームで19歳の時に、とても若くしてデビューを果たした。2004年2月15日のフォレンダム戦でのことだった。RKCヴァールヴァイクへのレンタル移籍を経て、フェルメーレンは2000年から所属していたチームへレギュラー選手になるため戻った。オランダでは自身の実績を輝かせ始め、ロンドンへ移る前にエールディビジ1回(2003-04)、カップ戦(2005-06、2006-07) とオランダスーパーカップ (2006、2007)でそれぞれ2回優勝した。

2008年夏にはアムステルダムのチームでキャプテンとして、ロッカールームを引っ張っていたが、その1年後に、アーセン・ベンゲルの率いるアーセナルに移籍した。加入当時からフェルメーレンは自身の能力を証明し、ガナーズのユニホームを着てのプレミアリーグ初戦にあたるエバートン戦で初得点を挙げた。初年度から、スタメンを手にし、全大会を通して、45試合に出場し、8得点を決め、その加入シーズンに、プレミアムリーグのベストイレブンにも選ばれた。2012年、ロビン・ファン・ペルシがチームを去ったときには、そのリーダーシップからキャプテンを務めることになった。ロンドンのチームはFAカップ（2013/14）を置き土産にチームを去った。

FCバルセロナに移籍した年に、ベルギー代表としてブラジルワールドカップへ出場。代表では通算46試合に出場している。同年代のベルギー人ディフェンダーとして最高選手の一人と評されている。代表デビューは20歳当時の2006年3月1日、2014年のワールドカップ予選では不可欠な存在だった。

2014年の冬に、右足のハムストリングの違和感を感じ、手術したため、FCバルセロナでは、 2015年5月23日のリーグ戦最終節まで、デビューできなかった。 バルサは、その試合でデポルティーバを前に2-2でドローに終わった。 2015/16年にバルサに在籍したあと、その翌年、ローマにレンタル移籍してプレーし、 2017/18年にレンタル移籍を終えて、FCバルセロナに戻ってきた。