AZ Alkmaar W lipcu 2006 Dembélé za 5 milionów euro przeniósł się do AZ Alkmaar. W pierwszym sezonie rozegrał 33 ligowe spotkania, w których zdobył trzy bramki. AZ zajęło natomiast trzecie miejsce w lidze. Rok później Belg zdobył cztery bramki, zaś jego klub zajął 12. miejsce. W sezonie 2008/2009 wraz z AZ Dembélé został mistrzem kraju. Poza tym zdobył Superpuchar Holandii.
Dalsza kariera w Anglii W letnim okienku transferowym sezonu 2010/2011 przeszedł za 6,5 miliona euro do klubu ze stolicy Anglii Fulham. Podpisał 3-letni kontrakt. 28 sierpnia 2012 roku Fulham Londyn poinformował, że zaakceptował ofertę Tottenhamu za reprezentanta Belgii. Fulham otrzyma za niego 15 milionów funtów. Swojego pierwszego gola dla Tottenhamu w Premier League strzelił w debiucie z Norwich w 69 minucie. W meczu tym grał od początku drugiej połowy.
Guangzhou R&F FC 17 stycznia 2019 podpisał kontrakt z chińskim klubem Guangzhou R&F FC, do którego został sprzedany za 12,45 milionów euro. 1 stycznia 2023 oficjalnie zakończył piłkarską karierę.